Az orvosi berendezések tervezése során van egy minden mást megelőző szempont, mégpedig a páciens és a kezelő biztonsága. Néhányan azt gondolják, hogy az ipari alkalmazások részére érintésvédelmi szempontból megfelelő tápegységek orvosi berendezésekben is alkalmazhatók. Ez azonban nem igaz, mivel a kockázati tényezők jelentősen különböznek, továbbá a korházakban használt elektronikus berendezések többsége, mint például a páciensmonitorok, nagyon alacsony jelszintekkel dolgoznak. Az ilyen jellegű orvosi berendezések jóval érzékenyebbek az elektromágneses interferenciákra, mint az iparban használt készülékek többsége, ezért az orvosi alkalmazásokban az EMC-megfelelőség is kulcskérdés.
A páciens és a kezelő védelme
A szivárgó áram az emberi testen szándékolatlanul átfolyó, potenciálisan veszélyes áramként határozható meg. A kórházi betegek sokszor gyenge fizikai állapotban vannak. Kitenni őket akár alacsony értékű szivárgó áramoknak is, negatívan befolyásolhatja állapotukat. Ugyanaz az alacsony értékű szivárgó áram csekély, vagy semmilyen hatással nincs egy egészséges ember esetében, ezért elfogadható lehet ipari környezetben.
Alkalmazásuktól függően az orvosi berendezések egészére (nem csak a tápegységre vonatkozóan) megengedett szivárgó áram néhány µA-től néhány száz µA-ig terjedhet. Az orvosi berendezés (pácienssel) érintkező részét az alábbiak szerinti osztályokba sorolják.
B típus: a B (Body) típusú érintőrész olyan, amely annak ellenére, hogy áramot adhat át a páciensnek működése részeként, nem erre tervezték (pl.: automata gyógyszeradagoló a nővérszobában, műtőlámpa).
BF típus: a BF (Body Floating) típusú érintőrésznek közvetlen páciens kapcsolata van, és arra tervezik, hogy működése részeként elektromos energiát vagy elektrofiziológiai jelet adjon át a páciensnek, vagy vegyen át a pácienstől (például EKG-berendezés).
CF típus: a CF (Cardiac Floating) típusú érintőrésznek közvetlen pácienskapcsolata van, és arra tervezik, hogy működése részeként elektromos energiát vagy elektrofiziológiai jelet adjon át a páciensnek, vagy vegyen át a pácienstől, valamint alkalmas közvetlenül a szívvel kapcsolatos alkalmazásra is (pl. külső pacemaker).
Orvosi tápegységek érintésvédelmi szabványai
Az orvosi berendezések különleges követelményeit nemzetközi szabványok határozzák meg. A világ nagy részén - beleértve Európát és Észak-Amerikát - az orvosi tápegységek érintésvédelmi követelményeit az IEC 60601-1 szabvány határozza meg. A nemzeti és kontinentális szabványokat (mint az UL, a CSA és az EN) az IEC (International Electrotechnical Committee) szabványokból származtatják.
Az IEC60601-1 szabvány mindenek felett álló követelménye a hatásos és megbízható szigetelés a tápegység váltakozó feszültségű bemenete, a belső nagyfeszültségű fokozatok és az egyenfeszültségű kimenet között, mivel a szigetelésben bekövetkező bármilyen hiba áramütést okozhat. A hatásos szigetelés számos tényezőn múlik, többek között a vezetőrészek és az alkatrészek közötti távolságokon. Az IEC60601-1 meghatározza ezen alkotóelemek közötti távolságok minimális értékeit (fontos megjegyezni, hogy ezek nagyobbak, mint az IEC60950-1 szabványban az információtechnológiai és ipari tápegységekre előírt távolságok.) A vezetőrészek és az alkatrészek közötti távolságokon kívül a hatásos szigetelés annak megbízhatóságán is múlik. Az orvosi tápegységek kettős vagy megerősített szigetelést alkalmaznak, amelynek hatékonyságát átütésiszilárdság-vizsgálattal ellenőrzik. Ennek során a szigetelést az üzemi feszültségnél lényegesen magasabb feszültséggel terhelik, megbizonyosodva, hogy nem történik meghibásodás.
Még egyszer hangsúlyozni kell, hogy az orvosi tápegységek követelményei különböznek az általános tápegységekétől. A 230 V váltakozó feszültségről üzemelő tápegységek megerősített, vagy kettős szigetelésének például 4 kVAC átütési szilárdságnak kell megfelelnie az orvosi alkalmazások esetén, míg az információtechnológiai, vagy ipari alkalmazású tápegységek esetében ez csak 3 kVAC. 4 kVAC-nál kisebb átütési szilárdságú tápegységek orvosi berendezésekben csak egy megerősített szigetelés részeként alkalmazhatók, feltéve, hogy a tápegységben lévő szigetelést egy alacsonyabb szintű "alap", vagy "kiegészítő" szigetelésnek tekintjük. Ebben az esetben a gyártónak további szigetelést kell beépítenie az orvosi berendezésbe annak érdekében, hogy teljesítse az elektromos hálózat és a páciens közötti megerősített szigetelésre vonatkozó követelményeket.
Az IEC60601-1 szivárgó áramra vonatkozó követelményeit nehéz teljesíteni az EMC-követelményeknek való megfeleléssel egy időben. A megengedett legnagyobb földszivárgó áram 300 µA, de ezt az értéket az orvosi berendezés egészére kell teljesíteni, nem csak önmagában a tápegységre. Annak érdekében, hogy a többi részegység szivárgó árama is beleférjen ebbe a határértékbe, elvárt, hogy a tápegység szivárgó árama ennél alacsonyabb legyen. Ez egy érdekes kihívást jelent, mivel az EMC-megfelelőség egy másik sarkalatos pontja az orvosi tápegységeknek.
A kapcsolóüzemű tápegységek vezetett és sugárzott elektromágneses interferenciát (EMI) keltenek, ezért zavarszűrőket kell tartalmazniuk. A zavarszűrőkben lévő kondenzátorokon keresztül kisértékű szivárgó áram folyik. Minél hatásosabb a szűrő az interferencia elnyomásában, annál nagyobb az általa létrehozott szivárgó áram. Emiatt úgy tűnhet, hogy van egy ellentmondás az EMC-megfelelőség és a szivárgó áram között. A hagyományosan tervezett kapcsolóüzemű tápegységekre ez valóban igaz, de az EMC-teljesítmény a nagyobb szűrő beépítésétől eltérő módszerekkel is javítható. Jobb megközelítés a tápegység keltette interferenciák csökkentése. Ahhoz, hogy ennek elérési módjai érthetőek legyenek, egyet-mást tudni kell a kapcsolóüzemű tápegységek működéséről.
A tápegységek a hálózati váltakozó feszültséget először átalakítják egyenfeszültséggé. Ezt azután ki-be kapcsolással átalakítják a hálózati feszültségnél sokkal magasabb frekvenciájú szaggatott feszültséggé azért, hogy ezt egy kisméretű és könnyű transzformátorra kapcsolva előállíthatóak legyenek a szükséges kimeneti feszültségek. Az egyenfeszültség szaggatását egy kapcsoló áramkör végzi. A transzformátor kimeneti feszültségeit egyenirányítják és szűrik. A kapcsoló áramkörök alkatrészei szórt kapacitásaikkal csatolást hoznak létre a védőföld, valamint a bemeneti áramkörök és a kimenet között, ezáltal a kapcsoló áramkör az elektromágneses interferencia fő forrása.
Az orvosi tápegységek tökéletesítésének módszerei
A veszteségek csökkentése érdekében a kapcsolóüzemű tápegységekben elektronikus kapcsolóként alkalmazott FET-eket általában úgy konfigurálják, hogy a lehető leggyorsabban kapcsoljanak, azonban minél gyorsabban kapcsol a FET, annál több interferenciát kelt a kapcsoló áramkör.
A korszerű tápegység-konstrukciók ezért szándékosan lelassítják a kapcsolási folyamatot a ZVS (zero-voltage switching / nullafeszültség-kapcsolás) eljárás alkalmazásával. A ZVS-eljárás mindazonáltal a tranzisztorok viszonylag gyors kapcsolását teszi lehetővé, noha az elérhető feszültségátmenetek (felfutási és lefutási idők) lényegesen lassúbbak - 100 ns nagyságrendben vannak a hagyományos kapcsolóüzemű tápegységek 20 ns kapcsolási időihez viszonyítva. Az elektromágneses interferencia viszont nagymértékben csökken, és ezért ezekben a tápegységekben kis zavarszűrő alkalmazása is elegendő akár a legigényesebb orvosi alkalmazások EMC-követelményeinek teljesítésével is. A csekély szűrési igénnyel a szivárgó áramok minimális értéken tarthatók, kielégítve ezt a fontos követelményt is.
További előny, hogy a ZVS áramköröknek az EMC-teljesítmény javításához a transzformátoron belül nincs szükségük hagyományosan alkalmazott tekercsek közötti árnyékolásra. Az árnyékolás szükségtelensége - lecsökkentve a tápegység méretét - nem csak kisebb méretű transzformátorok alkalmazását teszi lehetővé, de növeli a hatásfokot is.
Digitális vezérlés alkalmazása az orvosi tápegységekben
Az orvosi tápegységek tervezésében a legújabb előrelépés a digitális vezérlési technológia megvalósítása. A gyártók lecserélik az analóg kiszolgáló áramköröket (alacsony feszültség-védelem, ventilátor-fordulatszámvezérlés, üzemállapot-jelzések stb.) mikrokontroller-alapú megoldásokra, annak érdekében, hogy csökkentsék az alkatrészek számát és az áramkörök bonyolultságát. Néhányan olyan új tápegységeket terveznek, amelyek teljesen digitális vezérléssel működnek. Ez lehetővé teszi a méretcsökkenést, a hatásfok növelését, a jelentős csúcsteljesítményt a teljes bemeneti feszültségtartományban, a további alkatrészszám-csökkenést és a nagyobb megbízhatóságot.
A digitális vezérlés, kombinálva a 4 kVAC bemenet és a kimenet közötti, valamint az 1500 VAC kimenet és a védőföld közötti átütési szilárdsággal, alkalmassá teszi ezeket a tápegységeket az orvosi berendezésekre vonatkozó IEC60601-1 szabvány szigorú követelményeinek teljesítésére és felhasználásukat a "B" vagy "BF" típusú orvosi alkalmazásokban. Az orvosi berendezéseken kívül ezek a digitálisan vezérelt tápegységek beépíthetők ipari vagy lakossági berendezésekbe is, ahol korlátozott hely áll rendelkezésre, így kisebb és alacsonyabb hőmérsékleten üzemelő berendezést eredményezve.
Az új fejlesztések némelyike a további helymegtakarítás érdekében integrált mágneses elemeket alkalmaz, amelyekben több transzformátor és fojtótekercs kerül ugyanarra a vasmagra, ezáltal továbbjavítva a hatásfokot.
Az EFE300M digitális vezérlésű orvositápegység-család, amelyet a TDK-Lambda angliai mérnökei fejlesztettek ki, például 20%-kal kevesebb alkatrészt tartalmaz, 45%-kal kisebb méretet és 56%-kal könnyebb tápegységet eredményezve a piacon jelenleg megtalálható hasonló termékekhez viszonyítva. Csúcsterheléssel akár 1 W/cm3, míg folyamatos üzemben 0,76 W/cm3 teljesítménysűrűséget ér el. A digitális vezérlés és a szabadalmaztatott multirezonáns áramkör 90% feletti hatásfokot eredményez.
Az aktív PFC-áramkör biztosítja az EN61000-3-2 szabványnak való megfelelést és a világszerte történő alkalmazást lehetővé tevő széles bemeneti feszültségtartományt. A földszivárgó áram értéke alacsonyabb, mint 300 µA akár 264 VAC bemeneti feszültség mellett is, ezáltal teljes mértékben megfelel a legtöbb orvosi követelménynek úgy, hogy közben jelentős tartalékkal teljesíti a B görbe szerinti EMC-megfelelést.
