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設(shè)計(jì)醫(yī)療設(shè)備開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵

作者: 時(shí)間:2012-04-10 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

隨著醫(yī)學(xué)電子技術(shù)的高度發(fā)展,的種類也越來(lái)越多,與現(xiàn)代醫(yī)療診斷、治療關(guān)系日益密切,任何都離不開(kāi)安全穩(wěn)定的電源,且大部分為。在日常診斷與治療過(guò)程中往往會(huì)遇到設(shè)備因電源故障而無(wú)法使用,此時(shí)就需要醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的臨床醫(yī)學(xué)工程師結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)為臨床部門提供迅速、高效的服務(wù)。由于醫(yī)療設(shè)備的特殊性,設(shè)備電源互換性差,有的甚至缺少技術(shù)圖紙,這給維修工作帶來(lái)極大的不便。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177560.htm

醫(yī)療設(shè)備一般可以分為AC/DC 和DC/DC 兩大類,一次電源AC/DC 變換器輸入為50/60Hz、220V 交流電,必須經(jīng)整流、濾波,體積較大的濾波電解電容是不可少的,且交流輸入必須加上EMC 濾波及使用安全標(biāo)準(zhǔn)的器件。二次電源DC/DC 變換器用以進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換,它是的核心部分,此外還有啟動(dòng)、過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路檢測(cè)輸出電壓變化,并與基準(zhǔn)電壓比較,誤差電壓經(jīng)過(guò)放大及脈寬調(diào)制(PWM)電路,再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的占空比,從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的?;窘Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

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圖1 醫(yī)療設(shè)備開(kāi)關(guān)基本結(jié)構(gòu)  

開(kāi)關(guān)電源損壞從損壞元件上大致可分為:① 感性、容性和阻性器件損壞;② 功率半導(dǎo)體器件損壞;③ PWM IC損壞;④ 光電耦合器損壞;⑤ 其他,如晶振、風(fēng)扇等電源器件損壞?! ?/p>

按電源工作流程上可分為:① 交流輸入故障;② DC/DC 變換器故障;③ 驅(qū)動(dòng)電路故障;④ PWM 電路故障;⑤取樣電路故障。開(kāi)關(guān)電源故障種類繁多,在此不能一一詳列,下面結(jié)合實(shí)際維修實(shí)例對(duì)以上2 種分類中典型維修技術(shù)進(jìn)行探討。  

1 輸入電路故障  

醫(yī)療設(shè)備開(kāi)關(guān)電源的輸入電路一般包括開(kāi)關(guān)、熔斷絲、交流抗干擾電路和軟啟動(dòng)電路等。開(kāi)關(guān)、熔斷絲和交流抗干擾電路故障很容易發(fā)現(xiàn),其中開(kāi)關(guān)損壞可以直接更換,但熔斷絲損壞最好檢查一下負(fù)載是否嚴(yán)重短路,并換上同樣安培數(shù)的熔斷絲通電時(shí)監(jiān)測(cè)總輸入電流。交流抗干擾電路故障一般因電容器使用時(shí)間長(zhǎng)而失效較常見(jiàn)。軟啟動(dòng)電路是開(kāi)關(guān)電源保護(hù)電路之一,開(kāi)關(guān)電源的輸入電路大都采用整流加電容器濾波電路,在輸入電路合閘瞬間。由于電容器上的起始電壓為0,會(huì)形成很大的瞬間沖擊電流?! ?/p>

為此,醫(yī)療設(shè)備開(kāi)關(guān)電源一般都在輸入電路中設(shè)置防沖擊電流的軟啟動(dòng)電路。

常見(jiàn)的軟啟動(dòng)電路有熱敏電阻防沖擊電流電路、SCR-R 電路、繼電器與電阻構(gòu)成的電路、采用定時(shí)觸發(fā)器與限流電阻的電路,以及過(guò)零觸發(fā)的光耦可控硅與雙向可控硅構(gòu)成的電路等。下面以熱敏電阻防沖擊電流、電路為例簡(jiǎn)單說(shuō)明其工作原理:熱敏電阻分為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)。PTC 常態(tài)阻值較低。當(dāng)有過(guò)大的異常電流流過(guò)時(shí),因PTC 自身發(fā)熱使其電阻值迅速增加,變大電阻,起限流的作用;NTC 熱敏電阻在電源接入瞬間,阻值較大,達(dá)到限制沖擊電流的作用。  

當(dāng)電路處于正常工作狀態(tài)時(shí),電阻發(fā)熱而使其阻值變小?! ?/p>

NTC 熱敏電阻防沖擊電流電路由于熱敏電阻的熱慣性,重新恢復(fù)原始阻值需要時(shí)間,當(dāng)電源斷電后又快速接通時(shí)起不到限流作用?! ?/p>

輸液泵及部分小功率醫(yī)療設(shè)備電源中很多便采用PTC熱敏電阻限流或NTC 熱敏電阻防沖擊電流電路。其中,PTC 熱敏電阻在遭遇雷電或強(qiáng)電流的時(shí)候容易損壞,始終呈低阻態(tài)而通電便燒熔斷絲。而NTC 熱敏電阻往往出現(xiàn)開(kāi)路故障,導(dǎo)致一次電源DC 無(wú)AC 接入?! ?/p>

2 光電耦合器故障  

光耦合器(Optical Coupler)亦稱光電耦合器,簡(jiǎn)稱光耦。是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件,通常把紅外線發(fā)光二極管與光敏半導(dǎo)體封裝在同一管殼內(nèi),當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí),發(fā)光二極管發(fā)出光線,光敏半導(dǎo)體接受光線就產(chǎn)生電信號(hào),從輸出端流出,從而實(shí)現(xiàn)“電- 光- 電”轉(zhuǎn)換。它廣泛應(yīng)用于信號(hào)隔離、開(kāi)關(guān)電路、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)等電路中。另外,利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路,通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流改變占空比,達(dá)到精密穩(wěn)壓的目的。  

光耦能實(shí)現(xiàn)電氣隔離,還有抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)[3]。但遇到光耦合器性能下降導(dǎo)致電路故障在醫(yī)療設(shè)備開(kāi)關(guān)電源中還是比較多的?! ?/p>

例1 :Philips BV25 X 線機(jī)的電源不少臨床醫(yī)學(xué)工程人員都接觸過(guò)。其中,因光電耦合器性能不良導(dǎo)致無(wú)法開(kāi)機(jī)幾乎成為該電源的通病。BV25 主電源采用了無(wú)觸點(diǎn)軟啟動(dòng)電路。當(dāng)220V 接入時(shí),一路變壓器提供一組28V 和多組7V 電源,28V 經(jīng)整流穩(wěn)壓后得到+15V 電壓向電源控制板提供電源,7V 供給各組光耦合器。電源板上H1 若為綠燈,則大致可判斷28V 和7V 輸出正常。可控硅V1-V3及光耦(4N25)B1-B6 性能不良均會(huì)導(dǎo)致開(kāi)機(jī)失敗,判斷V3 是否損壞需拆下測(cè)量,否則容易誤判。  

例2 : OHMEDA 2000 嬰兒溫箱, 溫度到設(shè)定值后繼續(xù)上升,報(bào)“E013”。查維修手冊(cè)提示為“Header notswitching off”。排除thermal switch 故障后,最大可能是SSR內(nèi)光耦合器的性能不良所致,更換該器件后溫箱工作正常?! ?/p>

醫(yī)療設(shè)備開(kāi)關(guān)電源和其他開(kāi)關(guān)電源一樣,功率器件是必不可少的。其中用的較多的有功率二極管、可控硅(SCR)和功率場(chǎng)效應(yīng)管等。在維修過(guò)程中,功率器件是重點(diǎn)檢查對(duì)象,此類器件的損壞,會(huì)導(dǎo)致開(kāi)機(jī)保護(hù)或燒熔斷絲。在維修中發(fā)現(xiàn)該類器件損壞時(shí),除更換同參數(shù)器件外,還必須檢查外圍高壓電容及限流或電流檢測(cè)電阻?! ?/p>

例1 :Alcon Universal II 型超聲乳化儀開(kāi)機(jī)面板無(wú)顯示,“Standby”燈閃爍,開(kāi)關(guān)電源有“吱吱”聲,可大致判斷電源有保護(hù)動(dòng)作。該電源用到了 UC3842、UC3843 和UC3854等PWM IC,各IC 電流檢測(cè)端均提示過(guò)流,且各供電端電壓跳變。排除PWM IC 及外圍電路損壞后,重點(diǎn)檢查功率器件,其中一路電源的開(kāi)關(guān)管(IRF460)擊穿,更換該場(chǎng)效應(yīng)管后又檢查了其外圍電路,發(fā)現(xiàn)與其連接的C26 高壓電容(1KV)已擊穿,更換C26 后通電,主+24V 輸出正常,將機(jī)器所有連線恢復(fù),各組電壓正常且整機(jī)工作穩(wěn)定。  

例2 :SHIMADZU OPESCOPE 50N 型X 線機(jī)監(jiān)視器無(wú)顯示,指示燈閃爍,該X 線機(jī)總供電為220V,而監(jiān)視器供電為110V,送修前操作人員單獨(dú)對(duì)監(jiān)視器加220V 后指示燈不亮。該監(jiān)視器電源采用STR 54041 開(kāi)關(guān)電源厚膜模塊設(shè)計(jì),其DS 極已擊穿,且D1722 被擊穿,更換后接假負(fù)載各路電源輸出正常,恢復(fù)電路連線后指示燈亮,機(jī)內(nèi)有“嗒嗒”聲,但仍無(wú)顯示,后檢查發(fā)現(xiàn)行管Q9 和保險(xiǎn)電阻R71損壞,更換后整機(jī)工作正常。  

4 PWM IC及外圍電路故障  

電源控制芯片與開(kāi)關(guān)管組合在醫(yī)療設(shè)備開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用很普遍,一個(gè)電源甚至還會(huì)多處用到。PWM 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下,控制電路通過(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋,調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度,使得開(kāi)關(guān)電源與輸出電壓或電流等被控制信號(hào)穩(wěn)定。  

PWM 的開(kāi)關(guān)頻率一般固定,控制取樣信號(hào)可以構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的。  

同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)一些附帶的過(guò)流保護(hù)、抗偏磁及均流等功能。

在維修開(kāi)關(guān)電源時(shí),當(dāng)整流濾波電路、開(kāi)關(guān)管正常情況下,通常要檢測(cè)PWM IC 及外周電路是否正常,這樣會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。PWM IC 基本上都存在IC 供電、基準(zhǔn)電壓、驅(qū)動(dòng)脈沖、電流檢測(cè)及取樣調(diào)整電路等。PWM IC供電一般是主電源經(jīng)一電阻降壓所得,通常稱為啟動(dòng)電阻,若該電阻開(kāi)路或變大,提供給IC 供電低將導(dǎo)致電源不啟動(dòng)?! ?/p>

當(dāng)供電正常時(shí),重點(diǎn)檢查基準(zhǔn)電壓及驅(qū)動(dòng)脈沖是否正常,然后監(jiān)測(cè)電流傳感端電壓是否正常,接著要仔細(xì)檢測(cè)傳感支路。判斷PWM IC 自身故障的方法一般是通過(guò)測(cè)量引腳間阻抗或給供電端輸入標(biāo)稱電壓,觀察基準(zhǔn)電壓是否準(zhǔn)確?! ?/p>

例1 :北美GS 麻醉機(jī)+5V、+12V 電源板無(wú)輸出。該機(jī)器開(kāi)關(guān)電源初級(jí)PWM IC 芯片為UC3845,保險(xiǎn)和主要功率器件完好,計(jì)劃先檢查PWM IC 芯片供電、基準(zhǔn)電壓和電流檢測(cè)端引腳電壓,發(fā)現(xiàn)+300V 正常,7 腳無(wú)電壓輸入?! ?/p>

原因是100K 啟動(dòng)電阻開(kāi)路。更換后,PWM IC 供電正常,6 腳輸出脈沖波形穩(wěn)定,+5V、+12V 輸出電壓正確?! ?/p>

例2 :Stryker 腔鏡監(jiān)視器, 電源由開(kāi)關(guān)管BUK456、UC3824 及外圍電路組成。UC3842 因第6 腳與5 腳短路而損壞,BUK456 的DS 極擊穿,電流檢測(cè)電阻開(kāi)路,且脈沖輸出端串聯(lián)電阻開(kāi)路,更換上述器件后,工作正常。若只是更換外圍電路損壞器件,而未發(fā)現(xiàn)UC3842 自身?yè)p壞,換上的器件在開(kāi)機(jī)瞬間會(huì)重新?lián)p壞。因此,在維修中要排除PWM IC 自身故障?! ?/p>

5 其他電源部件故障  

在維修當(dāng)中,往往會(huì)遇到一些并非電子器件完全損壞所致的故障。如電容容量變小、線路板部分隱蔽性接觸不良、電源灰塵過(guò)多或散熱不良導(dǎo)致電源不穩(wěn)定及部分風(fēng)扇控制電路故障致電源停振等。由于這類問(wèn)題通過(guò)傳統(tǒng)檢測(cè)方法有些困難,因此,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和分析采取替換方式排除?! ?/p>

在維修醫(yī)療設(shè)備電源時(shí),首先要對(duì)灰塵進(jìn)行處理,可用吸塵器和大功率冷風(fēng)機(jī)清除,在處理過(guò)程中要減少人體靜電和防止線路板電容器對(duì)人體放電。對(duì)有大量風(fēng)扇的電源一定要檢查風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,特別是那些帶轉(zhuǎn)速控制或速度檢測(cè)的風(fēng)扇,不確定時(shí)可采取替換法解決?! ?/p>

例1 :日立7170A 生化儀+5V 開(kāi)關(guān)電源,開(kāi)機(jī)正常工作幾分鐘后,電源指示燈由綠變滅,+5V 輸出停止,散熱風(fēng)扇無(wú)明顯異常,功率部件和PWM IC 正常,但在做完清潔后未接風(fēng)扇電源無(wú)輸出。換上普通的2 線CPU 風(fēng)扇依然無(wú)輸出,將該風(fēng)扇測(cè)速線接上并連入線路板后,電源輸入正常且可連續(xù)工作。因此,可得出原風(fēng)扇因時(shí)間較長(zhǎng)轉(zhuǎn)速降低致電源停振的結(jié)論。以前,+24V 也出現(xiàn)過(guò)此類問(wèn)題,當(dāng)時(shí)因設(shè)備使用較急更換了新的電源模塊后恢復(fù)正常?! ?/p>

例2 :TOSHIBA 240A 型B 超連續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng)后電源外殼發(fā)燙,且經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)。該類故障一般是因?yàn)閮?nèi)部灰塵過(guò)多或內(nèi)部風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變低致整個(gè)電源工作環(huán)境變差所致。將電源拆下徹底除塵,更換電源底部和背面風(fēng)扇后電源溫度明顯下降,機(jī)器工作正常,且1 年未出現(xiàn)故障。

6 小結(jié)  

醫(yī)療設(shè)備種類繁多,大功率、大電流的開(kāi)關(guān)電源在醫(yī)療設(shè)備中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。開(kāi)關(guān)電源故障占醫(yī)療設(shè)備故障的60% 以上。因此,掌握開(kāi)關(guān)電源的維修是每個(gè)臨床醫(yī)學(xué)工程人員的基本技能,也是難點(diǎn)。本文只結(jié)合實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn)對(duì)醫(yī)療設(shè)備開(kāi)關(guān)電源的維修技術(shù)進(jìn)行了探討,希望更多同行專家提出寶貴意見(jiàn)并對(duì)醫(yī)療設(shè)備開(kāi)關(guān)電源作進(jìn)一步研究。

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