醫(yī)用24V直流穩(wěn)壓電源呼吸機轉(zhuǎn)換開關(guān)的設計與應用

醫(yī)用呼吸機通常使用24 V直流穩(wěn)壓電源，當交流電網(wǎng)掉電時，醫(yī)用呼吸機無直流電源供給，從而造成呼吸機無法正常工作;而一般短延時的UPS電源在電網(wǎng)掉電時，最長提供給負載的電源，也只能保持30分鐘左右，這對正在使用呼吸機的病人來說是遠遠不夠的。而且一般的UPS電源價格較貴，病患家庭難以承受如此高昂的費用。為了解決這一問題，有必要設計一種應用于呼吸機的廉價、不間斷電源。通過設計一種轉(zhuǎn)換開關(guān)，當電網(wǎng)長時間掉電的情況下，自動轉(zhuǎn)換為蓄電池供電，把蓄電池中的直流能量轉(zhuǎn)換成一種能長時間不間斷提供的直流穩(wěn)壓電源來供給呼吸機正常工作，從而達到以低廉的成本就能維持病人生命的目的。

1 總體設計

平時呼吸機由市電驅(qū)動工作，在交流電網(wǎng)斷電時，比較器電路自動檢測到斷電直流壓降，輸出一個低電平信號，在設定的時間內(nèi)，經(jīng)過一級延時、自鎖器、二級延時電路送給驅(qū)動器，驅(qū)動器執(zhí)行開關(guān)轉(zhuǎn)換動作，將呼吸機轉(zhuǎn)為由電池組1供電;當電池組1長時間工作，電壓降至預定值時，比較器電路檢測到預定值壓降，輸出一個低電平信號，在設定的時間內(nèi)，經(jīng)過一級延時、自鎖器、二級延時電路送給驅(qū)動器，驅(qū)動器執(zhí)行開關(guān)轉(zhuǎn)換動作，將呼吸機工作于電池1轉(zhuǎn)為由電池組2供電;這樣可以保證呼吸機在交流電網(wǎng)斷電后有較長的工作時間。

這一工作方案總體設計由圖1系統(tǒng)框圖所示。它由比較器、一級延時、自鎖器、二級延時、驅(qū)動器、呼吸機、市電以及電池組1和電池組2所組成。

2 元器件特性

2.1 LM339比較器

LM339由4組獨立的精密電壓比較器組成，具有低失調(diào)電壓的特點。它特地為在較大的電壓范圍內(nèi)單電源工作而設計，最大可在36 V直流下工作，但也可在雙電源電壓下工作，最大+18 V直流電源下工作。每一片LM339芯片內(nèi)由4個比較器組成，每個比較器由一對同相輸入端Q1和反相輸入端Q4和一個輸出端Q8組成;由圖中可見，LM339輸出是發(fā)射極接地NPN晶體管的集電極開路形式。集電極互連提供輸出“或”功能。輸出上拉電阻可連接任何電源電壓，輸出管吸入電流受有效驅(qū)動量和β的影響。達到最大限制電流(大約16 mA)，輸出管要退出飽和，輸出電壓很快上升。

2.2 零狀態(tài)響應

設電容在某瞬間t0，而在t0之前瞬間(to-)電路未加電壓輸入，而且自身電壓處于零狀態(tài);在t0瞬間電路加上輸入，由此而引起的響應定義為電路的零狀態(tài)響應。因此，零狀態(tài)響應是僅僅由于輸入所引起的。零狀態(tài)響應與輸入有關(guān)。在恒定輸入直流電源作用下，電路內(nèi)的物理過程實質(zhì)上是電容動態(tài)元件的儲能從無到有的增長過程。因此，對RC電路來說，隨著電容儲能的增長，電容電壓uc(t)也按指數(shù)規(guī)律在增長。即

其中uc(∞)為電容電壓的穩(wěn)態(tài)值(t=∞時的數(shù)值)，τ=RC。在t=∞時，電容相當于開路，可由此算出uc(∞)，它與輸入電源有關(guān)。當uc(t)、uc(∞)、τ=RC確定時，就可以確定電容充電的時間長短。兩邊取對數(shù)，得

3 電路設計

3.1 比較器

圖3的B1是比較器，在它的反相端4腳由電阻R2、二極管D5和發(fā)光二極管F1組成參數(shù)穩(wěn)壓器，在電源電壓24 V時，使B1的4腳箝位在2.9 V電壓，這時F1發(fā)光二極管正常發(fā)光，它有2個作用，第一個作用，起箝位電壓作用，第二個起指示24 V電壓正常供電的作用，其正常發(fā)光時電流為10mA左右。在B1比較器的同相端5腳由電阻R1、電位器W1和電阻R3組成串聯(lián)分壓器，通過調(diào)節(jié)W1，其分壓范圍在3.2～1.6 V范圍。B1比較器的輸出端2腳，由圖2可知，LM3