डायोड चिकित्सा उपकरणों में अत्यधिक सुरक्षा कैसे प्राप्त कर सकते हैं?

一, डायोड ओवरकरंट सुरक्षा का मूल सिद्धांत
ओवरकरंट सुरक्षा का मुख्य लक्ष्य सर्किट घटकों में असामान्य धाराओं के नुकसान को सीमित करना है, और डायोड निम्नलिखित विशेषताओं के माध्यम से इस कार्य को प्राप्त करते हैं:

यूनिडायरेक्शनल चालकता: एक डायोड केवल करंट को एनोड से कैथोड तक प्रवाहित करने की अनुमति देता है, जिससे रिवर्स करंट अवरुद्ध हो जाता है। यह सुविधा इसे एंटी रिवर्स सुरक्षा के लिए एक मुख्य घटक बनाती है। उदाहरण के लिए, एक पोर्टेबल अल्ट्रासाउंड जांच के पावर इनपुट टर्मिनल में, समानांतर शोट्की डायोड (जैसे एसएस 14) बिजली आपूर्ति की रिवर्स पोलरिटी के कारण होने वाले वर्तमान बैकफ़्लो को रोक सकते हैं और आंतरिक सर्किट बर्नआउट से बच सकते हैं।
फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप विशेषता: जब करंट डायोड से होकर गुजरता है, तो दोनों सिरों पर लगभग 0.2V (शोट्की डायोड) से 0.7V (सिलिकॉन पीएन जंक्शन डायोड) का वोल्टेज ड्रॉप उत्पन्न होता है। इस विशेषता का उपयोग करके, एक वर्तमान सीमित सर्किट डिजाइन किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक सर्जिकल रोबोट के पावर मॉड्यूल में, वोल्टेज ड्रॉप सुपरपोजिशन के माध्यम से अधिकतम आउटपुट करंट को सीमित करने और मोटर ओवरलोड को रोकने के लिए कई 1N4007 रेक्टिफायर डायोड श्रृंखला में जुड़े होते हैं।
रिवर्स ब्रेकडाउन विशेषता: जब रिवर्स वोल्टेज अपने ब्रेकडाउन वोल्टेज से अधिक हो जाता है, तो जेनर डायोड एक स्थिर स्थिति में प्रवेश करेगा, वोल्टेज को एक सुरक्षित सीमा के भीतर क्लैंप करेगा। इस सुविधा का व्यापक रूप से चिकित्सा उपकरणों के ओवरवॉल्टेज/ओवरकरंट समग्र संरक्षण में उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) के ग्रेडिएंट चुंबकीय क्षेत्र एम्पलीफायर में, जेनर डायोड फ्यूज के साथ मिलकर काम करता है। जब करंट सीमा से अधिक हो जाता है, तो जेनर डायोड टूट जाता है और संचालित होता है, जिससे फ्यूज पिघल जाता है और सर्किट कट जाता है।
2, चिकित्सा उपकरणों में विशिष्ट अनुप्रयोग परिदृश्य
1. पोर्टेबल चिकित्सा उपकरण: कम बिजली की खपत और उच्च विश्वसनीयता को संतुलित करें
रक्त ग्लूकोज मीटर और पोर्टेबल इलेक्ट्रोकार्डियोग्राफ़ जैसे उपकरणों में शोट्की डायोड को उनके कम फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप (0.15-0.45V) के कारण पसंद किया जाता है। उदाहरण के लिए, रक्त ग्लूकोज मीटर का एक निश्चित मॉडल निम्नलिखित कार्यों को प्राप्त करने के लिए BAT54S दोहरी शोट्की डायोड सरणी का उपयोग करता है:

एंटी रिवर्स कनेक्शन सुरक्षा: पावर इनपुट टर्मिनल से समानांतर रूप से जुड़ा हुआ। जब बिजली की ध्रुवता उलट जाती है, तो डायोड उलट जाएगा और कट जाएगा, जिससे वर्तमान पथ अवरुद्ध हो जाएगा।
पावर पथ चयन: दोहरी बैटरी पावर आपूर्ति प्रणाली में, निरंतर बिजली आपूर्ति सुनिश्चित करने के लिए मुख्य और बैकअप पावर स्रोत स्वचालित रूप से डायोड के माध्यम से स्विच किए जाते हैं।
वर्तमान सीमित सुरक्षा: मोटर ड्राइव सर्किट के साथ श्रृंखला में जुड़ा हुआ है, प्रारंभिक धारा को सीमित करने के लिए वोल्टेज ड्रॉप का उपयोग करता है और मोटर लॉक होने पर वर्तमान में वृद्धि को रोकता है।
2. उच्च शक्ति चिकित्सा उपकरण: प्रभाव प्रतिरोध और स्थिरता अनुकूलन
डिफाइब्रिलेटर और उच्च आवृत्ति वाले इलेक्ट्रिक चाकू जैसे उपकरणों में, क्षणिक उच्च वर्तमान उछाल से निपटना आवश्यक है। इस बिंदु पर, तेज़ रिकवरी डायोड (FRDs) और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) डायोड प्रमुख घटक बन जाते हैं:

डिफाइब्रिलेटर चार्जिंग सर्किट: MBR30200PT शोट्की मॉड्यूल (30A/200V) का उपयोग किया जाता है, जिसमें 5ns से कम का रिवर्स रिकवरी टाइम (trr) होता है, जो चार्जिंग के दौरान डायोड स्विच देरी के कारण होने वाले वोल्टेज स्पाइक्स को रोक सकता है और उच्च वोल्टेज कैपेसिटर को ओवरवॉल्टेज टूटने से बचा सकता है।
उच्च आवृत्ति इलेक्ट्रिक चाकू आउटपुट चरण: C6D10065A SiC शोट्की डायोड (100A/650V) का उपयोग करते हुए, इसकी कम फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप (1.5V) और उच्च तापमान प्रतिरोध विशेषताओं (175 डिग्री जंक्शन तापमान) यह सुनिश्चित करती है कि 1MHz उच्च आवृत्ति कटिंग के दौरान डायोड की अपनी बिजली की खपत 60% कम हो जाती है, जबकि ओवरहीटिंग के कारण प्रदर्शन में गिरावट से बचा जाता है।
3. सटीक चिकित्सा उपकरण: सिग्नल अखंडता और विरोधी हस्तक्षेप डिजाइन
इलेक्ट्रोकार्डियोग्राफ और इलेक्ट्रोएन्सेफलोग्राफ जैसे उपकरणों में, कमजोर बायोइलेक्ट्रिक संकेतों के अधिग्रहण के लिए शोर के सख्त दमन की आवश्यकता होती है। इस बिंदु पर, फोटोडायोड और सुरक्षात्मक डायोड का सहयोगात्मक डिज़ाइन महत्वपूर्ण हो जाता है:

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक युग्मन अलगाव: सिग्नल इनपुट चैनल में, विद्युत अलगाव प्राप्त करने और डायोड के फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण के माध्यम से सामान्य मोड हस्तक्षेप को अवरुद्ध करने के लिए 6N137 ऑप्टोकॉप्लर का उपयोग किया जाता है।
ESD सुरक्षा: सेंसर इंटरफ़ेस पर, कम लीकेज करंट के साथ समानांतर ESD5D150TA शोट्की डायोड (<0.1 μ A) and high reverse withstand voltage (150V) can effectively discharge the transient current generated by electrostatic discharge (ESD) and prevent sensor damage.
3, अभिनव डिजाइन: डायोड और अन्य घटकों की सहयोगात्मक सुरक्षा
1. समग्र सुरक्षा सर्किट: डायोड+टीवीएस डायोड
मेडिकल एंडोस्कोप के इमेज ट्रांसमिशन मॉड्यूल में, बिजली गिरने या स्थैतिक बिजली के कारण होने वाले क्षणिक ओवरवॉल्टेज को रोकने के लिए "स्कॉटकी डायोड + टीवीएस डायोड" की एक समग्र सुरक्षा योजना अपनाई जाती है:

शोट्की डायोड: पावर इनपुट टर्मिनल से समानांतर रूप से जुड़ा हुआ, दैनिक एंटी रिवर्स सुरक्षा प्रदान करता है।
टीवीएस डायोड: सिग्नल लाइन से जुड़ी श्रृंखला, इसकी अल्ट्रा फास्ट प्रतिक्रिया समय (<1ps) and low clamping voltage (such as SMAJ5.0A's clamping voltage of 7.8V) can limit overvoltage within a safe range in nanoseconds, protecting the downstream ADC chip from damage.
2. सेल्फ रिकवरी सुरक्षा: डायोड+पीटीसी थर्मिस्टर
पहनने योग्य चिकित्सा उपकरणों (जैसे स्मार्ट कंगन) के चार्जिंग सर्किट में, "स्कॉट्की डायोड + पीटीसी थर्मिस्टर" की एक स्व-पुनर्प्राप्ति सुरक्षा योजना अपनाई जाती है:

शॉट्की डायोड: चार्जिंग हानि को कम करने के लिए अपनी कम वोल्टेज ड्रॉप विशेषताओं का उपयोग करते हुए बैटरी रिवर्स कनेक्शन को रोकता है।
पीटीसी थर्मिस्टर: चार्जिंग पथ से जुड़ी श्रृंखला, जब करंट सीमा से अधिक हो जाता है, तो पीटीसी प्रतिरोध मान तेजी से बढ़ जाता है, जिससे करंट सीमित हो जाता है; समस्या निवारण के बाद, पीटीसी घटकों को बदलने की आवश्यकता के बिना स्वचालित रूप से कम प्रतिरोध स्थिति में वापस आ जाता है।