Zaloguj
Szczególne wymagania, wyjątkowe aplikacje
Wybór zasilacza do projektowanego urządzenia medycznego zawsze jest podyktowany szeregiem specyficznych wymagań, a ich odpowiedników nierzadko próżno szukać w innych obszarach techniki. Zdecydowana większość parametrów technicznych, którymi chwalą się producenci zasilaczy medycznych, wiąże się z koniecznością zapewnienia najwyższego stopnia ochrony pacjenta (ale także i operatora) przed ryzykiem porażenia elektrycznego, ponieważ w medycynie byłoby szczególnie łatwo o tego typu wypadek.
Aby uzmysłowić sobie skalę problemu, weźmy pod rozwagę prosty przykład – o ile sucha skóra człowieka ma stosunkowo wysoką impedancję przy częstotliwości na poziomie 50 Hz (i jeszcze wyższą rezystancję przy pomiarze prądem stałym), o tyle już lekko wilgotna (np. spocona) staje się znacznie lepszym przewodnikiem. Efekt ten jest zresztą wykorzystywany w badaniu określanym skrótem GSR (ang. Galvanic Skin Response), w którym nawet subtelne zmiany rezystancji odzwierciedlają aktualny stan emocjonalny badanego osobnika (np. w wyniku stresu spowodowanego zadawaniem mu „niewygodnych” pytań).
A co, jeżeli metalowa końcówka narzędzia (np. laparoskopu czy robota chirurgicznego) zostanie wprowadzona do wnętrza ciała i wejdzie w bezpośredni kontakt galwaniczny z płynami ustrojowymi oraz powierzchnią narządów? Wtedy nawet najmniejsze napięcie przyłożone do owego narzędzia będzie w stanie wywołać przepływ relatywnie dużego prądu – niewiele trzeba, by jego skutki okazały się śmiertelne dla pacjenta. I nie chodzi tylko o stosunkowo wąską grupę urządzeń stosowanych do operacji kardio- czy neurochirurgicznych, ale o szereg innych, bardziej rozpowszechnionych urządzeń, które – intencjonalnie lub przypadkowo – mogą wejść w kontakt z ciałem pacjenta.
Aby jeszcze lepiej zrozumieć omawiany problem, warto przywołać dane opublikowane w normie PN-EN 60601-1, dotyczące prawdopodobieństwa wystąpienia migotania komór (VF) przy określonych wartościach natężenia i częstotliwości prądu upływu – czyli prądu płynącego od urządzenia – poprzez ciało pacjenta – do ziemi. Choć ryzyko pojawienia się tego zagrażającego życiu zaburzenia rytmu jest bardzo zróżnicowane w zależności od lokalizacji przyłożenia przewodzącego narzędzia do powierzchni narządu (lub innego obszaru ciała), to z grubsza można określić, że największe występuje w zakresie częstotliwości od 10 do 200 Hz, przy czym prąd upływu na poziomie 100 μA wiąże się z prawdopodobieństwem VF na poziomie 0,05. Przy natężeniu 500 μA prawdopodobieństwo to rośnie do… 1. Ograniczenie prądu upływu jest zatem wysoce zasadne, tym bardziej że już przy 50 μA ryzyko wystąpienia VF spada do 0,01, a przy 10 μA – do zaledwie 0,002. Warto dodać, że w rzeczywistych warunkach w grę wchodzi także wspomniana już zależność elektrycznej podatności serca od lokalizacji źródła prądu, a także samo prawdopodobieństwo zaistnienia danego rodzaju kontaktu (np. dotknięcia obudowy urządzenia przez przewodzącą część cewnika wewnątrznaczyniowego). Ryzyko jest szczególnie wysokie w przypadku urządzeń umieszczanych wewnątrz serca – przykładowo cewniki do trójwymiarowego mapowania elektrofizjologicznego (stosowane powszechnie podczas zabiegów ablacji migotania przedsionków – fotografia 2) są wyposażone w zestaw mikroskopijnych elektrod, które podłącza się do specjalnego systemu akwizycji biosygnałów. Jeżeli (w wyniku jakiejkolwiek awarii lub błędu obsługi) elektroda taka zostałaby zasilona nawet stosunkowo niewielkim napięciem, to przepływ prądu przez wrażliwą strukturę serca mógłby z łatwością wywołać migotanie komór, podczas gdy przyłożenie nawet znacznie większego potencjału do innego obszaru ciała prawdopodobnie nie miałoby żadnego wpływu na pracę serca – w grę wchodzi bowiem nie tylko wartość natężenia prądu, ale także jego gęstość, która w przypadku mikroelektrod jest z natury rzeczy znacznie wyższa niż podczas kontaktu elektrycznego większej powierzchni (np. narzędzia chirurgicznego) z ciałem pacjenta.
Bardzo istotnym aspektem w zakresie bezpieczeństwa elektrycznego zasilaczy medycznych jest odpowiednia konstrukcja urządzenia, a ściślej rzecz ujmując – właściwa koordynacja izolacji (rysunek 1) czy też rodzaje zastosowanych komponentów pracujących wskroś bariery izolacyjnej (transformatorów, transoptorów, czasem także kondensatorów). Zachowanie wymaganych przez normy wartości parametrów liczbowych – np. natężenia prądów upływu czy wytrzymałości izolacji – nie wystarczy bowiem jeszcze, by dany model zasilacza mógł być stosowany w wyrobach medycznych. Norma 60601-1 jasno definiuje tzw. środki ochrony operatora (MOOP) oraz środki ochrony pacjenta (MOPP), które muszą być zachowane pomiędzy poszczególnymi blokami/elementami całego systemu.
Są to środki służące do redukowania ryzyka porażenia elektrycznego osób mających kontakt z urządzeniem (np. lekarza, pielęgniarki czy technika elektroradiologii) oraz samego pacjenta i, jak nietrudno się domyślić, MOPP stawiają konstruktorom wymogi znacznie bardziej restrykcyjne niż MOOP. Funkcję środka ochrony może pełnić zarówno odstęp powietrzny, jak i powierzchniowy (tabela 1), izolacja stała, impedancja ochronna (np. rezystor szeregowy w kablu EKG), a także połączenie uziemienia ochronnego. Mało tego – standard 60601-1 określa nawet brzegowe warunki pracy urządzenia w wypadkach niektórych rodzajów awarii, rozróżniając np. wartości prądów upływu podczas normalnej pracy urządzenia oraz po wystąpieniu tzw. pojedynczego uszkodzenia.
Fundamentalne znaczenie dla konstruktorów aparatury medycznej ma zapis normy 60601-1 zawarty w sekcji postanowień ogólnych dotyczących separacji części urządzenia. Ów zapis określa, że urządzenie powinno być wyposażone w dwa środki ochrony pacjenta mające na celu ochronę tzw. części aplikacyjnej (oraz innych elementów dostępnych) przed przekroczeniem przez prądy upływu (i nie tylko) dopuszczalnych wartości granicznych. W jaki sposób zapis ten wpływa na konstrukcję zasilaczy medycznych? Okazuje się, że w praktyce determinuje on przede wszystkim konstrukcję i wymiary barier izolacyjnych stosowanych pomiędzy częścią wyjściową zasilacza (obwodem wtórnym) a częścią sieciową (obwodem pierwotnym) oraz uziemieniem. Ujmując rzecz w ogromnym skrócie, możemy stwierdzić, że jeżeli zasilacz spełnia wymagania dwóch środków ochrony pacjenta (2×MOPP) odpowiednich do poziomu stosowanego napięcia sieciowego oraz ogranicza prądy upływu do bezpiecznych wartości określonych w normie 60601-1, to obwody zasilane za pomocą części wtórnej mogą bezpiecznie pracować, pozostając w kontakcie galwanicznym z ciałem pacjenta. A tak przecież działają rozmaite urządzenia do monitorowania funkcji życiowych, elektrokardiografy do badań spoczynkowych i wysiłkowych, elektroencefalografy, sprzęt stosowany w kardiologii inwazyjnej (np. do ablacji w terapii zaburzeń rytmu serca) i wiele, wiele innych.
Sprawa nie jest rzecz jasna tak prosta, jak mogłoby się wydawać na podstawie powyższego opisu. Wspomniane wcześniej części aplikacyjne dzielą się bowiem na trzy grupy, określane literami: B, BF oraz CF. Sama część aplikacyjna to element urządzenia, który musi pozostawać w fizycznym kontakcie z ciałem pacjenta, by urządzenie mogło pełnić przewidzianą funkcję. O ile w wielu przypadkach spotykamy się z częściami typu B (o najniższych wymaganiach w zakresie prądów upływu), o tyle kategorie oznaczone dodatkową literą F (ang. Floating – pływający) odnoszą się do tych części aplikacyjnych, które muszą być odizolowane od wszystkich pozostałych podzespołów urządzenia w takim stopniu, by ograniczyć prąd upływu w przypadku wystąpienia zewnętrznego napięcia, przyłożonego pomiędzy pacjenta a potencjał ziemi. Czym zatem różnią się pomiędzy sobą części typu BF i CF? Tylko te drugie mogą być stosowane bezpośrednio na sercu (tj. w operacjach otwartych, procedurach wewnątrznaczyniowych czy chirurgii minimalnie inwazyjnej), a zatem limity prądów upływu są w ich przypadku najbardziej restrykcyjne (tabela 2).
Najprostszy podział można w związku z tym podsumować następująco:
- część aplikacyjna typu B ma kontakt fizyczny (ale nie elektryczny) z pacjentem,
- część aplikacyjna typu BF może mieć kontakt elektryczny z pacjentem (ale nie bezpośrednio z sercem),
- część aplikacyjna typu CF może być stosowana bezpośrednio na sercu i pozostawać z nim w kontakcie elektrycznym.
Czy zastosowanie zasilacza określanego przez producenta jako „suitable for BF applied part” daje stuprocentową pewność, że urządzenie spełni wymogi normy 60601-1? Oczywiście po stokroć nie! Istnieje bowiem niezliczona ilość scenariuszy, które „mogą pójść nie tak” podczas projektowania urządzenia medycznego i uniemożliwić pozytywne przejście badań laboratoryjnych w zakresie bezpieczeństwa podstawowego. I w drugą stronę – zastosowanie zasilacza o niższym ratingu w zakresie prądów upływu lub izolacji nie wyklucza uzyskania certyfikacji, trzeba wtedy jednak zastosować inne środki ochronne (np. izolowaną przetwornicę DC/DC, impedancje ochronne, etc.), których celem będzie zapewnienie wymaganego poziomu bezpieczeństwa. W prostszych przypadkach (np. gdy urządzenie ma tylko jedną część aplikacyjną typu BF) zastosowanie zasilacza medycznego z odpowiednimi parametrami może natomiast znakomicie uprościć koordynację izolacji, a zarazem i… cały projekt.
Wybierając zasilacz do zastosowań medycznych, trzeba ponadto wziąć pod uwagę klasę ochronności, dzielącą urządzenia na dwie grupy wg normy 60601-1:
- klasa I – urządzenia, w których ochrona przed porażeniem jest zrealizowana za pomocą izolacji podstawowej oraz uziemienia metalowych części dostępnych (lub wewnętrznych),
- klasa II – urządzenia pozbawione uziemienia ochronnego, a wyposażone zamiast niego w podwójną lub wzmocnioną izolację.
I znów wybór będzie w tym przypadku podyktowany szeregiem aspektów praktycznych – materiałem obudowy, rozmiarami i sposobem użytkowania urządzenia, a w niektórych przypadkach nawet wymaganą mocą zasilania. W większości przypadków zasilacze typu desktop pracują w klasie II, podobnie zresztą jak wszystkie zasilacze wtyczkowe. Konstrukcje tego typu są oferowane przeważnie w zakresie małej lub średniej mocy (od pojedynczych watów do około 200 W), co w oczywisty sposób ogranicza ich zakres zastosowań raczej do stosunkowo niewielkich, przenośnych lub stacjonarnych urządzeń (ciśnieniomierze, irygatory, specjalistyczny sprzęt pomiarowy itp.). W nieco szerszym zakresie mocy (od kilkunastu do kilkuset W) dostępne są natomiast zasilacze typu open frame, przeważnie produkowane w formie nieosłoniętej lub częściowo zabudowanej płytki drukowanej. Większe moce oferują zasilacze modułowe wyposażone już w chłodzenie aktywne – ten segment (pod względem mocy – zwykle od około 100 W do ok. 1000 W, choć zdarzają się nawet modele o wydajności kilku kW) jest zdominowany przez moduły OEM wyposażone w metalowe obudowy i z natury rzeczy pracujące najczęściej w klasie I.
Należy zwrócić uwagę, że wytyczne dotyczące izolacji oraz prądów upływu w równym stopniu dotyczą tak zasilaczy, jak i konwerterów DC/DC, w tym nawet tych najmniejszych, montowanych bezpośrednio na PCB docelowego urządzenia (fotografia 3).
Niewielkie przetwornice impulsowe zdają egzamin wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba odizolowania np. jednej części aplikacyjnej typu BF lub CF od pozostałych obwodów urządzenia, w tym innych części aplikacyjnych, elementów interfejsu użytkownika (klawiatury, wyświetlacze itp.), interfejsów I/O (np. HDMI, USB czy RS-232) i innych (rysunek 2).
Zastosowanie kompaktowego modułu DC/DC pozwala zaoszczędzić na kosztach głównego zasilacza, który w wielu przypadkach nie musi spełniać najwyższych wymogów w zakresie prądów upływu, gdyż wymaga się ich jedynie od „pływających” części aplikacyjnych. Mało tego – w praktyce często nie sposób „uwiesić” całości układu elektronicznego na wspólnej szynie zasilającej, ponieważ część aplikacyjna i tak musi być odseparowana odpowiednimi środkami ochrony od wymienionych powyżej bloków urządzenia – tak więc samo zastosowanie zasilacza o najwyższym ratingu może nie wystarczyć do spełnienia wymogów normalizacyjnych.
Wymogi EMC
Do tej pory skupiliśmy się przede wszystkim na kwestiach bezpieczeństwa podstawowego. Należy jednak pamiętać, że na „certyfikowalność” (ale także na praktyczną użyteczność, niezawodność i bezpieczeństwo) urządzenia wpływa również – w dużym stopniu – kompatybilność elektromagnetyczna. Norma 60601-1-2, traktująca właśnie o aspektach EMC w obszarze elektrycznych urządzeń medycznych, doczekała się czwartej edycji, wprowadzonej w życie w 2019 roku. Jak wiadomo, w miarę postępu technologicznego rosną jednocześnie wymagania stawiane urządzeniom medycznym w zakresie odporności na zakłócenia RFI, poziomów emisji zaburzeń czy też wytrzymałości pod względem wyładowań ESD – nic więc dziwnego, że także przejście z 3. na 4. edycję normy 60601-1-2 spowodowało zaostrzenie wymogów w zakresie wielu testów przewidzianych w tym standardzie. Dla przykładu podajmy zatem wybrane zmiany:
- Odporność na wyładowania ESD – w trzeciej edycji należało zapewnić odporność urządzenia na „strzały” do 6 kV (metodą kontaktową) oraz do 8 kV (przez powietrze). Czwarta edycja standardu podniosła te progi do – odpowiednio – 8 kV i 15 kV.
- Odporność na pola magnetyczne – w myśl czwartej edycji normy 60601-1-2 działanie urządzenia jest testowane aż 10-krotnie silniejszym polem magnetycznym o częstotliwości sieci (30 A/m zamiast 3 A/m).
- Odporność na zakłócenia EFT (serie szybkich impulsów) – przy przejściu na nową wersję standardu zmieniła się częstotliwość powtarzania impulsów: z 5 kHz na 100 kHz (przy czym amplituda ±2 kV pozostała bez zmian).
Modyfikacji wymogów dokonano ponadto w zakresie zaburzeń przewodzonych (indukowanych przez pola o częstotliwości radiowej), zapadów napięcia czy też udarów. Nie dziwi więc, że zmiany w dużej mierze wpłynęły na rynek zasilaczy medycznych, które przejmują na siebie znaczną część intensywnych zaburzeń testowych stosowanych w tych rygorystycznych badaniach. Wybierając zasilacz, należy zatem upewnić się, czy spełnia on wymogi czwartej wersji normy 60601-1-2.
Dodatkowe aspekty konstrukcyjne
W obszarze zasilaczy medycznych istnieje szereg aspektów konstrukcyjnych, które – choć na pierwszy rzut oka nie zawsze okazują się łatwo identyfikowalne w świetle norm – to w istocie znacznie ułatwiają implementację w zgodzie z zapisami standardów. Przykładem mogą być rodzaje złączy wyjściowych stosowanych w zasilaczach wtyczkowych oraz typu desktop. Znaczna część zasilaczy dostępnych na rynku jest wyposażona w klasyczne wtyki DC o rozmiarze 2,1/5,5 mm czy też 2,5/5,5 mm (fotografia 4), dostępne są także wersje z wtykami DC o innych średnicach, a nawet… złączami USB.
Żadne z tych rozwiązań (przynajmniej w swojej klasycznej formie) nie zapewnia jednak skutecznego środka chroniącego przed przypadkowym rozłączeniem. O ile w przypadku domowego ciśnieniomierza czy nawet (w ostateczności) specjalistycznego urządzenia pomiarowego (np. dopplera naczyniowego) ryzyko powstałe w wyniku utraty połączenia z zasilaczem jest niewielkie lub niemal żadne, o tyle zdecydowanie nie można tego powiedzieć o kardiomonitorze przeznaczonym do bieżącego nadzoru funkcji życiowych pacjenta. W zasilaczach typu desktop często spotykanym rozwiązaniem jest zastosowanie wtyku mini DIN (fotografia 5), który – za sprawą wbudowanej blokady mechanicznej – zapewnia niezawodne połączenie z kompatybilnym gniazdem i uniemożliwia przypadkowe rozłączenie.
W celu odpięcia przewodu wyjściowego zasilacza od gniazda wbudowanego we współpracujące urządzenie konieczne jest bowiem ręczne odciągnięcie specjalnej, ruchomej osłony (fotografia 6), co spowoduje wycofanie niewielkiego, metalowego zęba do wewnątrz (a co za tym idzie – umożliwi wyciągnięcie wtyku).
Istotne z konstrukcyjnego punktu widzenia są także osiągi zasilacza w zakresie chłodzenia. Problem dotyczy głównie zasilaczy typu open frame, które występują zasadniczo w dwóch odmianach.
Konstrukcje o mniejszej mocy wyjściowej (fotografia 7) mogą nierzadko pracować bez wymuszonego chłodzenia, o ile obudowa docelowego urządzenia zawiera odpowiednie otwory wentylacyjne, z kolei konstrukcje o wyższej mocy (fotografia 8) wymagają często strumienia powietrza o określonych parametrach (przepływ objętościowy, kierunek strumienia, etc.), który konstruktor sprzętu musi zapewnić we własnym zakresie – patrz rysunek 3.
Chłodzenie metodą konwekcji swobodnej wiąże się oczywiście z pewnymi ograniczeniami – i to nie tylko w zakresie dopuszczalnej mocy obciążenia (która zależy od temperatury otoczenia – rysunek 4), ale także z lokalizacją modułu zasilacza względem innych bloków urządzenia.
Należy bowiem uwzględnić wpływ ciepła wydzielanego przez zasilacz na czułe obwody pomiarowe, których w aparaturze medycznej zwykle nie brakuje. Nieco łatwiej jest pod tym względem w przypadku zastosowania zasilacza zamkniętego we własnej obudowie metalowej (fotografia 9) i wyposażonego we wbudowany wentylator – emisja ciepła do wnętrza obudowy urządzenia ulega dzięki temu dość mocnemu ograniczeniu, choć rzecz jasna tu również w grę wchodzą inne czynniki, które należy przewidzieć (m.in. odpowiednia aranżacja panelu tylnego lub ewentualnie bocznego, uwzględniająca wyprowadzenie otworów wentylacyjnych zasilacza).
Nawiasem mówiąc, o ile powyższe zagadnienia dotyczą także wszelkich zwykłych zasilaczy typu open frame, o tyle sama tematyka chłodzenia pasywnego lub aktywnego znów okazuje się nieco bardziej złożona w przypadku aparatury medycznej – konieczne jest bowiem spełnienie rygorystycznych wymogów w zakresie ochrony przed skutkami penetracji obudowy przez specjalny kołek probierczy (fotografia 10), który w czasie testów laboratoryjnych umieszcza się w dostępnych otworach obudowy urządzenia.
Wybrane zasilacze medyczne z aktualnej oferty rynkowej
Rynek zasilaczy medycznych jest obecnie dość mocno zróżnicowany pod względem formy urządzeń, dostępnej mocy wyjściowej, sposobu chłodzenia czy też parametrów związanych z bezpieczeństwem elektrycznym. W tej części artykułu pokazujemy wybór reprezentatywnych przykładów gotowych urządzeń oraz modułów OEM należących do wszystkich najważniejszych grup produktowych.
Zasilacze wtyczkowe (dogniazdkowe)
W przypadku niewielkich urządzeń medycznych o zapotrzebowaniu na moc nieprzekraczającym kilkudziesięciu watów, dobrze sprawdzają się kompaktowe zasilacze wtyczkowe. W większości przypadków są one wyposażone w fabrycznie zamontowany (nieodłączalny) przewód zakończony wtykiem (najczęściej DC 2,1/5,5 mm lub DC 2,5/5,5 mm), choć w przypadku niektórych serii produktowych wybór opcjonalnych rodzajów złączy jest naprawdę pokaźny.
Przykładem może być linia zasilaczy GSM18E marki Mean Well (fotografia 11) – o ile standardowa wersja została wyposażona w typowy wtyk 2,1/5,5 mm, o tyle dostępne są także modele wyposażone w:
- proste i kątowe wtyki 2,5/5,5 mm,
- wtyki DC z nakrętką blokującą,
- wtyki 0,7/2,35 mm, 1,7/4,0 mm, 1,7/4,75 mm, 3,4/5,5 mm, 4,4/6,5 mm, oraz 5,1/7,4 mm,
- wtyki mini DIN 3- i 4-pinowe,
- pełnowymiarowe wtyki DIN 5,
- odizolowane (fabrycznie pobielone) końcówki przewodu.
Wszystkie modele z serii GSM18E mają izolację spełniającą wymogi 2×MOPP i oferują niski prąd upływu na poziomie poniżej 50 μA.
Znacznie rzadziej spotykane są modele dogniazdkowych zasilaczy medycznych wyposażone w odłączalny przewód. Seria UE05LZ4 marki UE Electronic (fotografia 12) obejmuje 5- oraz 6-woltowe, 5-watowe zasilacze z gniazdem USB typu A.
Także w tym przypadku mamy do czynienia z dwoma środkami ochrony pacjenta pomiędzy częścią sieciową a wyjściem zasilacza, jednak maksymalny deklarowany przez producenta prąd upływu dochodzi w opisywanych urządzeniach do granicy dopuszczalnej dla urządzeń z częścią aplikacyjną typu BF (100 μA).
Zasilacze typu desktop
Oferta zasilaczy typu desktop (czyli wyposażonych w – najczęściej odłączalny – przewód sieciowy oraz wbudowany na stałe przewód wyjściowy) jest naprawdę szeroka i obejmuje modele o mocy (przeważnie) od kilkudziesięciu do około 200 W…220 W. Niektórzy producenci poszli jednak o krok dalej i wprowadzili do swoich ofert zasilacze dostarczające nawet 300 W mocy wyjściowej. Dobrym przykładem może być seria ATM300T marki Bicker Elektronik (fotografia 13).
Warto zwrócić uwagę na cechę, która okazuje się dość unikalna w tej klasie produktów. Zamiast konwencjonalnych wtyków spotykanych w tego typu urządzeniach (w szczególności mini DIN, które stosuje się powszechnie w zasilaczach desktop o większej mocy) mamy tutaj do czynienia z solidnym, 8-pinowym złączem Molex – podobne rozwiązanie można znaleźć także w zasilaczach dostępnych w ofercie marki XP Power.
Zasilacze open frame (PCB bez obudowy)
Zasilacze open frame, produkowane w postaci nieosłoniętej lub jedynie częściowo zabudowanej płytki drukowanej, są stałym punktem oferty wszystkich producentów, którzy zdecydowali się wkroczyć na rynek medyczny. Produkty z tej grupy stanowią doskonały kompromis pomiędzy elastycznością implementacji (dają bowiem konstruktorowi szerokie pole do popisu w zakresie ustawienia modułu wewnątrz obudowy urządzenia oraz sposobu jego podłączenia) a kosztami (zasilacze takie są zwykle znacznie tańsze niż odpowiedniki dogniazdkowe o porównywalnej mocy wyjściowej). Wybór padł zatem na trzy modele, z których każdy oferuje projektantowi pewną wartość dodaną.
Seria zasilaczy CUS350MP marki TDK Lambda (fotografia 14) jest przystosowana do pracy z obciążeniem ciągłym na poziomie 350 W (przy chłodzeniu konwekcją swobodną) lub 500 W (przy chłodzeniu wymuszonym), co samo w sobie plasuje opisywane urządzenia w segmencie najbardziej wydajnych modułów open frame. Unikatowa okazuje się natomiast możliwość działania z mocą szczytową znacznie przekraczającą rating pracy ciągłej – w czasie 5 sekund możliwy jest pobór mocy 800 W, a w ciągu jednej sekundy maksymalne obciążenie może wynosić aż 1000 W. Takie parametry pozwalają na zastosowanie zasilaczy CUS350MP w aplikacjach o nieciągłym, silnie zmiennym poborze prądu – np. zawierających napędy elektryczne uruchamiane sporadycznie.
Kolejnym przykładem interesującej serii zasilaczy open frame jest linia RPD-75 marki Mean Well (fotografia 15).
Element odróżniający opisywane urządzenia od większości konkurencyjnych konstrukcji to podwójne wyjście. Dostępne są dwa modele tego produktu:
- RPD-75A (5 V/7 A+12 V/3 A),
- RPD-75B (5 V/5 A+24 V/2A).
Zasilacze umożliwiają budowę aparatury z częściami aplikacyjnymi typu BF (prąd upływu nie przekracza bowiem 100 μA) i są przeznaczone do pracy w systemach klasy I (z uziemieniem ochronnym – rysunek 5).
Niejako idąc za ciosem, firma Mean Well opracowała także konstrukcje zasilaczy o trzech i czterech wyjściach.
Seria MPQ-200 (fotografia 16) zawiera cztery modele o napięciach:
- 5 V, 12 V, –5 V, –12 V,
- 5 V, 15 V, –5 V, – 15 V,
- 5 V, 24 V, 12 V, –12 V,
- 5 V, 24 V, 15 V, –15 V.
Jak widać, dobór napięć sugeruje typowe zastosowania – symetryczne zasilanie ±12 V czy ±15 V doskonale nadaje się do budowy urządzeń zawierających rozbudowane bloki analogowych torów sygnałowych, główna sekcja 5 V (o obciążalności do 15 A, niezależnie od wybranego modelu) pozwala na zasilanie części sterującej, zaś dodatkowe napięcie 24 V (dostępne w dwóch modelach) sprawdzi się np. w układach sterowania elektrozaworami, elektromagnesami czy też niewielkimi silnikami elektrycznymi.
Zasilacze modułowe w obudowach metalowych
Większe moce można z reguły osiągnąć, stosując zasilacze w obudowach metalowych. Przykładem serii tego typu modułów może być linia produktowa MDS-300 marki Delta (fotografia 17). Maksymalną moc 300 W można osiągnąć przy chłodzeniu wymuszonym, zaś pozostając przy konwekcji swobodnej (umożliwionej przez perforowaną obudowę), jesteśmy w stanie obciążyć zasilacz mocą do 190 W.
Doskonałymi osiągnięciami w zakresie dużej mocy wyjściowej może pochwalić się marka Advanced Energy, która opracowała medyczne zasilacze modułowe z serii ARTESYN μMP Gen II (fotografia 18). Te wydajne, konfigurowalne moduły są w stanie dostarczyć moc szczytową na poziomie nawet 1800 W, co pozwala na zastosowania w szczególnie wymagających aplikacjach – między innymi w robotach chirurgicznych czy systemach obrazowania medycznego. Izolacja spełnia wymogi 2×MOPP, liczba wyjść dochodzi nawet do 12 (!), a – co również istotne – nawet pomiędzy poszczególnymi wyjściami znajduje się izolacja o ratingu 500 V (DC).
Zasilacze programowalne
Skoro już jesteśmy przy temacie zasilaczy konfigurowalnych, nie sposób nie wspomnieć o kilku przykładach zaawansowanych modeli oferujących użytkownikowi pełne spektrum funkcji programowalnych. Na początek warto przyjrzeć się serii 600-watowych zasilaczy marki TDK Lambda z serii GXE600 (fotografia 19).
Interfejs RS-485 pozwala – za pomocą protokołu Modbus RTU – programować szereg parametrów pracy zasilacza oraz odczytywać ważne informacje serwisowe (w tym czas pracy, historię alarmów czy nawet… pozostały czas życia kondensatorów elektrolitycznych!). Szeroki zakres programowania napięć wyjściowych (4,8...28,8 V lub 9,6...57,6 V) pozwala sprostać bodaj najbardziej nietypowym wyzwaniom projektowym, a dodatkowo modele z serii GXE600 umożliwiają pracę zarówno w trybie konwencjonalnym (stałonapieciowym), jak i w trybie stałoprądowym.
Seria HPF3K0 marki XP Power (fotografia 20) oferuje moc wyjściową dochodzącą nawet do 3 kW i umożliwia programowanie napięcia oraz prądu wyjściowego w zakresie od zera do nieco ponad 100% wartości nominalnych.
Do komunikacji z tymi wydajnymi zasilaczami można zastosować jeden z następujących interfejsów:
- PMBus,
- CANopen,
- Modbus,
- SCPI.
Urządzenia oferują możliwość pracy równoległej i mogą być programowane przy użyciu graficznego interfejsu użytkownika (GUI).
Zasilacze ATX
W niektórych aplikacjach zachodzi konieczność doprowadzenia wielosekcyjnego zasilania o ściśle określonych, standardowych parametrach. Tak jest m.in. w przypadku komputerów stacjonarnych, których płyty główne wymagają zasilacza typu ATX. Jeżeli mamy do czynienia z komputerem medycznym lub systemem wbudowanym opartym na architekturze klasycznego peceta, to z pomocą przyjdą… medyczne, pełnowymiarowe zasilacze ATX. Tego typu produkty wprowadziła do swojego portfolio marka Bicker Elektronik – przykładowo model MHG2-5300G-B1 (fotografia 21) oferuje 300 W mocy wyjściowej, a dodatkowy zacisk ułatwia realizację obwodu uziemienia w bardziej rozbudowanych systemach.
Rzecz jasna, tego typu moduły nie są przeznaczone do realizacji zasilania części aplikacyjnych typu BF (ani tym bardziej CF) – stąd też producent nie podaje w specyfikacji technicznej wartości prądu upływu pacjenta, a w nocie katalogowej znajdziemy jedynie informację o upływie uziomowym. Wszystkie pozostałe warunki oczekiwane od zasilaczy medycznych są rzecz jasna spełnione – dotyczy to m.in. izolacji 2×MOPP czy kompatybilności elektromagnetycznej. Warto dodać, że ten sam producent ma w swojej ofercie także zasilacze ATX o bardziej kompaktowej konstrukcji, (fotografia 22) o wysokości nieznacznie tylko przekraczającej 40 mm (rysunek 6) – mowa o serii MP1S.
Moduły tego typu świetnie nadają się do urządzeń, które wprawdzie bazują na konwencjonalnych płytach głównych, ale wymagają daleko posuniętej miniaturyzacji – jako przykład można tutaj wskazać chociażby nowoczesne ultrasonografy.
Zasilacze modułowe do montażu na PCB
W kompaktowych urządzeniach medycznych, które powinny mieć możliwość zasilania bezpośrednio z sieci energetycznej, dobrym wyborem może być zastosowanie modułowej przetwornicy AC/DC montowanej na PCB. Wiele firm wprowadziło rozwiązania tego typu do swoich ofert, a liczba dostępnych serii produktów w tym segmencie z roku na rok rośnie. Do podstawowych modeli można zaliczyć serię MPM-90 marki Mean Well (fotografia 23) o mocy 90 W (100 W w szczycie 10-sekundowym), spełniającą wymogi dwóch środków ochrony pacjenta przy prądzie upływu nieprzekraczającym 100 μA.
Ta sama firma wprowadziła do sprzedaży także kompaktowe, 20-watowe moduły otwarte (również do montażu w technologii THT) z serii MFM-20 (fotografia 24).
W tym przypadku także mamy do czynienia z ochroną na poziomie 2×MOPP, a prąd upływu jest nieznacznie niższy (nie przekracza 80 μA). Z kolei firma XP Power opracowała serię 15-watowych zasilaczy do druku o nazwie EML15 (fotografia 25) – w tym przypadku do dyspozycji projektantów są zarówno wersje otwarte, jak i zalewane w obudowach wyposażonych w piny THT lub złącza śrubowe.
Co ciekawe, do tej ostatniej wersji dostępne są także specjalne podstawki do montażu na szynie DIN (rysunek 7).
Zasilacze na szynę DIN
Jeśli omawiamy zasilacze montowane na szynie DIN, to nie sposób nie wspomnieć o modelach z serii CP marki Puls Power (fotografia 26). Choć moduły tego typu mogą na pierwszy rzut oka kojarzyć się przede wszystkim z automatyką przemysłową i budynkową, to nic nie stoi na przeszkodzie, by standardowy system TS35 zastosować także w aplikacjach medycznych. Jeżeli zatem mamy do zaprojektowania większą, modułową instalację, to zasilacze z serii CP mogą znacznie ułatwić to zadanie – urządzenia oferują zabezpieczenia na poziomie 2×MOPP (wejście-wyjście) oraz 1×MOPP (wejście-uziemienie, wyjście-uziemienie), zaś dostępna moc dochodzi do 480 W. W przypadku modelu 24-woltowego zakres napięcia wyjściowego może być regulowany w zakresie od 24 do 28 V, do dyspozycji konstruktora jest ponadto wyjście kontrolne typu przekaźnikowego (DC OK).
Izolowane przetwornice DC/DC do zastosowań medycznych
Na koniec naszej prezentacji pozostawiliśmy tematykę przetwornic DC/DC, o których do tej pory jedynie krótko wspomnieliśmy. Tymczasem – w zależności od zastosowań – do dyspozycji konstruktorów są zarówno miniaturowe konwertery do montażu na PCB (o mocy od jednego do kilku watów), jak i spore moduły oferujące nawet kilkadziesiąt watów mocy wyjściowej. Do najmniejszych przedstawicieli opisywanej grupy produktów należą przetwornice IMA01 marki XP Power (fotografia 27), doskonale nadające się do pracy w aplikacjach wymagających separacji jednej lub kilku części aplikacyjnych od pozostałych obwodów urządzenia.
Moduły oferują bowiem jeden środek ochrony pacjenta (izolacja o wytrzymałości 4000 V), ale za to ich prąd upływu jest niewiarygodnie mały – wynosi zaledwie 2 μA (!), co – przy odpowiedniej koordynacji izolacji – pozwala nawet na zastosowanie w urządzeniach z częścią aplikacyjną typu CF. Podobne osiągi udało się uzyskać inżynieriom znanej marki Traco Power, którzy opracowali serię kompaktowych przetwornic TRV 1M (fotografia 28) – w tym przypadku jednak mamy już do czynienia ze znacznie wyższym poziomem ochrony, gdyż izolacja spełnia wymogi 2×MOPP, a w dodatku wytrzymuje nie standardowe 4 kV, ale aż 5 kV, co w tej grupie produktów stanowi naprawdę doskonały wynik.
W aplikacjach wymagających wyższej mocy wyjściowej zastosowanie znajdują rozmaite modele przetwornic o konstrukcji zamkniętej lub otwartej. Do tych pierwszych należy m.in. seria JHM20 marki XP Power (fotografia 29) – 20-watowe wyjście jest chronione izolacją spełniającą wymogi 2×MOPP, a prąd upływu nie przekracza 2,5 μA. Rozmiary modułu są przy tym naprawdę kompaktowe – wynoszą około 50 mm×25 mm.
Jeżeli w danym projekcie wymagania odnośnie, mocy wyjściowej są znacznie wyższe, to warto też zwrócić uwagę na serię THM 60WI marki Traco Power (fotografia 30) – moc w tym przypadku wynosi już 60 W, prąd upływu nie przekracza 4,5 μA, a izolacja spełnia wymogi 2×MOPP (5000 V AC). Footprint przetwornicy mieści się w obrysie 57,9×36,8 mm – naprawdę niezły wynik jak na tak wyśrubowane parametry techniczne!
Podsumowanie
Nowoczesne aplikacje medyczne stawiają inżynierom szereg restrykcyjnych wymogów w zakresie bezpieczeństwa i funkcjonalności – nic dziwnego, wszak walka toczy się o ludzkie zdrowie oraz życie. Bez zbędnej przesady można stwierdzić, że w większości aplikacji lwia część odpowiedzialności za ochronę przeciwporażeniową spoczywa na modułach zasilaczy czy też przetwornic DC/DC – dlatego właśnie oferta tych produktów jest tak szeroka i zróżnicowana. W artykule opisaliśmy najważniejsze zagadnienia normalizacyjne oraz wskazaliśmy szereg przykładów produktów z ofert zarówno branżowych potentatów, jak i firm nieco mniej znanych, choć także dobrze radzących sobie na trudnym rynku medycznym. Mamy nadzieję, że zaprezentowane informacje pomogą naszym Czytelnikom sprawniej poruszać się po dokumentacjach specjalistycznych zasilaczy, a także ułatwią odpowiedni dobór zasilacza bądź przetwornicy do kolejnego projektu – i to niekoniecznie medycznego, gdyż wysoka jakość, niezawodność oraz doskonałe parametry techniczne pozwalają także na realizację wielu zaawansowanych projektów urządzeń z innych branż.
inż. Przemysław Musz, EP
