Разработка блока питания для вакуумного аспиратора

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

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.

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 мате-

риалов 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 ве-

личины, 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. МикросхемаАБМ8828АЯТ2-КЕБЬ7, 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, 5x11, B41828A9105M007, Конденсатор электролитический алюминиевый, 2 шт. -2х2,20 руб. = 4,40 руб.

8. ECAP (К50-35), 10 мкФ, 50 В, 5x7, 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. - 3 х 0,90 руб. =2,70 руб.

14. Кер.ЧИПконд. 0603 X7R 1мкФ 16В 10%, GRM188R71C105KA12D, 2 шт. - 2 х 1,90 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.

DEVELOPMENT OF POWER SUPPLY FOR VACUUM ASPIRATOR S.T. Markhaeva, graduate student

Supervisor: I.A. Appolonov, deputy head of the department Bauman Moscow state technical university

Abstract. This article shows the advantage of the portability of aspirators for vacuum therapy of wounds. The element base for realization of the power supply unit in these aspirators is considered.

Keywords: power unit, medical device, aspirator.