Hoe beschermen diodes in medische ventilatoren de veiligheid van circuits?

1, Anti-omgekeerde verbindingsbescherming: blokkeert het risico van een stroomstoring
Omdat het om medische apparatuur met hoge- precisie gaat, kan het doorbranden van onderdelen of zelfs verlamming van de apparatuur veroorzaken als de ingangsaansluiting van een beademingsapparaat wordt omgedraaid als gevolg van operationele fouten. Door hun unidirectionele geleidbaarheid kunnen diodes worden gebruikt om goedkope en zeer betrouwbare anti-omkeerbeveiligingscircuits te bouwen.

Typische toepassingsgevallen:
Aan de voedingsingang van een draagbare ventilator wordt een serie Schottky-diode (zoals SK210) gebruikt om anti-omkeerbeveiliging te bereiken. Deze diode heeft een voorwaartse spanningsval van 0,85V en een piek-sperspanning van 100V. Wanneer de positieve en negatieve aansluitingen van de voeding worden omgedraaid, wordt de diode uitgeschakeld, waardoor het stroompad wordt geblokkeerd en schade aan het daaropvolgende circuit wordt voorkomen. Hoewel het serieschakelingsschema een spanningsvalverlies van 0,7-1V heeft, vermindert de lage voorwaartse spanningsvalkarakteristiek van Schottky-diodes het energieverbruik aanzienlijk, wat vooral geschikt is voor draagbare apparaten met een lage spanning en hoge stroom.

Optimalisatieplan:
Voor ventilatoren met een hoog-vermogen kan een anti-retourcircuit worden gebruikt dat een NMOS-transistor en een spanningsregelaardiode combineert. Wanneer de voeding positief is aangesloten, verkrijgt de poort van de NMOS-transistor de inschakelspanning via een spanningsdelerweerstand. Na geleiding ligt de interne weerstand slechts in het milliohmbereik en kan de spanningsval worden genegeerd; Bij omkering wordt de NMOS-transistor uitgeschakeld, waardoor de foutstroom volledig wordt geïsoleerd. Deze oplossing combineert een laag stroomverbruik met een hoge betrouwbaarheid en wordt veel gebruikt in hoogwaardige medische apparatuur-.

2, Onderdrukking van voorbijgaande spanning: bestand tegen blikseminslagen en stroomschommelingen
Het beademingsapparaat kan tijdens de werking te maken krijgen met voorbijgaande schokken van hoge spanning, zoals door bliksem veroorzaakte spanningspieken en plotselinge veranderingen in de netspanning. Deze pulsenergieën kunnen gevoelige componenten binnendringen, wat kan leiden tot defecten aan de apparatuur. Transiënte spanningsonderdrukkingsdiodes (TVS) kunnen de spanning in nanoseconden op een veilig niveau houden door middel van een lawine-doorslageffect.

Kernparameters en selectie:
Als we de SMBJ33CA als voorbeeld nemen, is de omgekeerde -uitschakelspanning 33 V, het doorslagspanningsbereik is 36,7-42,2 V, de maximale klemspanning is 53,3 V en de piekpulsstroom is 11,3 A. In het stroomcircuit van het beademingsapparaat is de TVS-diode parallel verbonden met een sleutelknooppunt (zoals de ingangsklem van de DC-DC-omzetter). Wanneer de spanning de doorslagdrempel overschrijdt, geleidt de TVS snel, waardoor de overspanningsenergie via een pad met lage impedantie naar aarde wordt vrijgegeven, waardoor het volgende circuit tegen schade wordt beschermd.

Beveiligingssysteem op meerdere niveaus:
Geavanceerde ventilatoren maken doorgaans gebruik van een beveiligingsarchitectuur met drie- niveaus, bestaande uit Gas Discharge Tube (GDT), Varistor (MOV) en TVS. GDT wordt gebruikt om duizenden volt bliksemenergie te absorberen, MOV onderdrukt honderden volt aan stroomschommelingen en TVS verwerkt transiënte pulsen van nanoseconden om een ​​beschermende keten van grof naar fijn te vormen, waardoor de stabiliteit van apparatuur in extreme omgevingen wordt gegarandeerd.

3, Signaalbeperking en rectificatie: zorgen voor de nauwkeurigheid van biologische signaalverwerving
Het beademingsapparaat verzamelt via sensoren zwakke biologische signalen, zoals de ademhalingsluchtstroom en de zuurstofverzadiging in het bloed, van patiënten, met amplitudes die doorgaans in het millivoltbereik liggen. Als hoog-ruis of spanningspieken worden gemengd tijdens de signaaloverdracht, kan dit gegevensvervorming veroorzaken of zelfs valse alarmen veroorzaken. De diode kan het signaalpad effectief zuiveren door middel van beperkende en gelijkrichtende functies.

Ontwerp van begrenzingscircuit:
In het signaalconditioneringscircuit van de ademhalingsluchtstroomsensor worden back{0}}naar-back-diodes (zoals 1N4148) gebruikt om begrenzers te construeren. Wanneer het ingangssignaal de diodegeleidingsspanning (ongeveer 0,7 V) overschrijdt, wordt overtollige energie vastgehouden om verzadiging van de daaropvolgende operationele versterker te voorkomen. Dit schema kan piekpulsen onderdrukken die worden veroorzaakt door elektromagnetische interferentie (EMI) en ervoor zorgen dat de signaalamplitude binnen een veilig bereik ligt.

Toepassing van volledige golfrectificatie:
Voor biologische signalen die verwerking van absolute waarden vereisen (zoals ademhalingsmonitoring van de borstkasimpedantie), kan een dubbelgolf-rectificatiecircuit worden gebruikt dat bestaat uit operationele versterkers en diodes. Dit circuit zet AC-signalen om in unipolaire signalen via de unidirectionele geleidbaarheid van diodes, terwijl gebruik wordt gemaakt van de hoge ingangsimpedantiekarakteristieken van operationele versterkers om spanningsvalfouten in traditionele diode-rectificatiecircuits te elimineren en de nauwkeurigheid van de signaalacquisitie te verbeteren.

4, temperatuurcompensatie en spanningsstabilisatie: aangepast aan complexe werkomgevingen
Het beademingsapparaat moet mogelijk binnen een breed temperatuurbereik van -20 graden tot 50 graden werken, en temperatuurveranderingen kunnen ervoor zorgen dat componentparameters afwijken, wat de stabiliteit van het circuit beïnvloedt. De temperatuurcoëfficiëntkarakteristieken van diodes kunnen worden gebruikt om temperatuurcompensatiecircuits te construeren, terwijl de spanning op kritische knooppunten constant wordt gehouden via spanningsstabiliserende diodes.

Temperatuurcompensatie geval:
In het signaalconditioneringscircuit van de ventilatordruksensor is een diode met een negatieve temperatuurcoëfficiënt (zoals 1N829) in serie geschakeld met een weerstand om de afwijking van de sensoruitvoer bij temperatuurveranderingen te compenseren. Wanneer de temperatuur stijgt, neemt de spanningsval over de diode af. Door de ingangsspanning van de operationele versterker aan te passen via een spanningsdelerweerstand, wordt de impact van de afname van de sensorgevoeligheid gecompenseerd om de meetnauwkeurigheid te garanderen.

Ontwerp van het circuit van de spanningsregelaar:
Voor het 5V-voedingsknooppunt van het regelcircuit van het beademingsapparaat wordt een instelbare spanningsregelaardiode TL431 gebruikt om een ​​nauwkeurig spanningsregelaarcircuit te construeren. De TL431 stabiliseert de uitgangsspanning op de ingestelde waarde (zoals 5,0 V ± 1%) door de kathodestroom aan te passen, en heeft snelle reactiekarakteristieken om spanningsschommelingen te onderdrukken die worden veroorzaakt door stroomrimpels en belastingstransiënten, waardoor schone stroom wordt geleverd voor digitale circuits.