चिकित्सा उपकरणों में बिजली गिरने और टीवीएस डायोड में उछाल को कैसे रोकें?

一, चिकित्सा उपकरणों पर बिजली गिरने और उछाल का खतरा
बिजली गिरने से चिकित्सा उपकरणों को दो तरह से खतरा होता है:

सीधी बिजली गिरना: बिजली इमारतों या उपकरणों के बाड़ों पर गिरती है, जिससे जमीन की क्षमता में अचानक वृद्धि होती है, संभावित अंतर पैदा होता है, और उपकरण इन्सुलेशन को नुकसान पहुंचता है;
प्रेरित बिजली गिरना: बिजली के विद्युत चुम्बकीय स्पंदन बिजली लाइनों, सिग्नल लाइनों या स्थानिक युग्मन के माध्यम से उपकरणों पर आक्रमण करते हैं, जिससे क्षणिक उच्च वोल्टेज स्पाइक्स उत्पन्न होते हैं और संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक घटकों को नुकसान पहुंचता है।
चिकित्सा उपकरण वोल्टेज के उतार-चढ़ाव के प्रति बेहद संवेदनशील होते हैं। उदाहरण के लिए, सीटी स्कैनर की एक्स रे ट्यूब को स्थिर डीसी उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होती है, जबकि इलेक्ट्रोकार्डियोग्राफ़ का सिग्नल अधिग्रहण सर्किट कम शोर वाली डीसी बिजली आपूर्ति पर निर्भर करता है। क्षणिक ओवरवॉल्टेज से उपकरण विफलता, डेटा हानि और यहां तक ​​कि आग जैसी माध्यमिक आपदाएं भी हो सकती हैं। आंकड़ों के अनुसार, हर साल दुनिया भर में बिजली गिरने से होने वाले चिकित्सा उपकरणों के नुकसान के 80% मामले बिजली या सिग्नल लाइनों में घुसपैठ से संबंधित होते हैं।

2, टीवीएस डायोड के तकनीकी सिद्धांत और मुख्य लाभ
टीवीएस डायोड पीएन जंक्शन हिमस्खलन ब्रेकडाउन प्रभाव पर आधारित एक अर्धचालक उपकरण है, और इसका मुख्य कार्य है:

क्षणिक प्रतिक्रिया: जब वोल्टेज ब्रेकडाउन वोल्टेज (वीबीआर) से अधिक हो जाता है, तो टीवीएस 1 नैनोसेकंड के भीतर उच्च प्रतिरोध स्थिति से कम प्रतिरोध स्थिति में परिवर्तित हो जाता है, जिससे एक प्रवाहकीय पथ बनता है;
सटीक क्लैंपिंग: पीक पल्स करंट (आईपीपी) की कार्रवाई के तहत, वोल्टेज को अधिकतम क्लैंपिंग वोल्टेज (वीसी) पर क्लैंप करें ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि बाद के सर्किट का वोल्टेज सुरक्षा सीमा से नीचे है;
स्वचालित पुनर्प्राप्ति: उछाल गायब होने के बाद, टीवीएस स्वचालित रूप से मैन्युअल हस्तक्षेप के बिना उच्च प्रतिबाधा स्थिति में लौट आता है और इसका पुन: उपयोग किया जा सकता है।
एमओवी और जीडीटी जैसे पारंपरिक सुरक्षात्मक उपकरणों की तुलना में, टीवीएस के निम्नलिखित फायदे हैं:

अत्यधिक तेज़ प्रतिक्रिया गति: MOV को संचालित करने के लिए थर्मल संचय की आवश्यकता होती है, GDT को गैस आयनीकरण समय की आवश्यकता होती है, और TVS प्रतिक्रिया समय पिकोसेकंड स्तर तक पहुँच जाता है;
कम क्लैंपिंग वोल्टेज: टीवीएस का गतिशील प्रतिरोध 0.1 Ω जितना कम हो सकता है, और अवशिष्ट वोल्टेज (वीसी) एमओवी की तुलना में काफी कम है;
कॉम्पैक्ट आकार: सरफेस माउंट टीवीएस (जैसे एसएमएजे श्रृंखला) का वॉल्यूम केवल 0.1 क्यूबिक सेंटीमीटर है, जो कॉम्पैक्ट चिकित्सा उपकरणों के लिए उपयुक्त है;
लंबा जीवनकाल: यह सैकड़ों उछाल वाले प्रभावों का सामना कर सकता है, जबकि एमओवी कई प्रभावों के बाद महत्वपूर्ण प्रदर्शन में गिरावट का अनुभव करते हैं।
3, चिकित्सा उपकरणों में टीवीएस डायोड के विशिष्ट अनुप्रयोग
1. पावर मॉड्यूल सुरक्षा
चिकित्सा उपकरणों के पावर मॉड्यूल को मुख्य पावर (220V/50Hz) को एक स्थिर डीसी वोल्टेज में परिवर्तित करने की आवश्यकता होती है। टीवीएस डायोड एक ब्रिज रेक्टिफायर सर्किट और एक फ़िल्टरिंग कैपेसिटर के माध्यम से एसी पावर को स्पंदित डीसी पावर में परिवर्तित करता है, और फिर टीवीएस द्वारा क्लैंप किए जाने के बाद एक सुचारू वोल्टेज आउटपुट करता है। उदाहरण के लिए, एक निश्चित हेमोडायलिसिस मशीन का पावर मॉड्यूल एक रेक्टिफायर सर्किट बनाने के लिए चार 1N5408 सिलिकॉन रेक्टिफायर डायोड का उपयोग करता है, और पीछे के DC/DC कनवर्टर की सुरक्षा के लिए SMAJ5.0CA TVS (Vc=6.5V) के साथ समानांतर में जुड़ा होता है। जब बिजली गिरने से इनपुट वोल्टेज अचानक 300V तक बढ़ जाता है, तो टीवीएस 10ns के भीतर संचालित होता है, कनवर्टर को नुकसान से बचाने के लिए वोल्टेज को 6.5V पर क्लैंप कर देता है।

2. सिग्नल लाइन सुरक्षा
चिकित्सा उपकरणों की सिग्नल लाइनें, जैसे इलेक्ट्रोकार्डियोग्राफ़ की इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम सिग्नल अधिग्रहण लाइन और अल्ट्रासाउंड डायग्नोस्टिक डिवाइस की जांच सिग्नल लाइन, शोर के प्रति संवेदनशील होती हैं। टीवीएस डायोड को सिग्नल विरूपण को कम करते हुए उछाल को दबाने के लिए कम कैपेसिटेंस (जैसे कि केवल 0.5pF की एलसीएसईरीज जंक्शन कैपेसिटेंस) के साथ डिज़ाइन किया गया है। उदाहरण के लिए, एक 12 लीड इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम मशीन इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम सिग्नल के इनपुट सिरे की सुरक्षा के लिए BAS70-04 टाइप लिमिटिंग डायोड (Vc{5}}V) का उपयोग करती है। जब सिग्नल वोल्टेज ± 7V से अधिक हो जाता है, तो टीवीएस वोल्टेज को एक सुरक्षित सीमा के भीतर सीमित कर देता है और यह सुनिश्चित करता है कि इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम तरंग का सिग्नल शोर अनुपात (एसएनआर) 60 डीबी से अधिक या उसके बराबर है।

3. संचार इंटरफ़ेस सुरक्षा
आरएस-485 और कैन बस जैसे चिकित्सा उपकरणों के संचार इंटरफेस को विद्युत चुम्बकीय संगतता (ईएमसी) आवश्यकताओं को पूरा करना होगा। टीवीएस डायोड द्विदिशात्मक विन्यास के माध्यम से विभेदक सिग्नल लाइनों की रक्षा करते हैं। उदाहरण के लिए, एक निश्चित ऑपरेटिंग कमरे में छाया रहित प्रकाश का RS-485 संचार इंटरफ़ेस SR05-4 द्विदिश टीवीएस (Vc=10V) का उपयोग करता है। जब बिजली से प्रेरित वोल्टेज को मुड़ जोड़ी के साथ प्रसारित किया जाता है, तो जीडीटी (गैस डिस्चार्ज ट्यूब) सबसे पहले करंट का संचालन करती है और उसे बढ़ाती है, और निर्बाध संचार सुनिश्चित करने के लिए अवशिष्ट तेजी से बढ़ते किनारे को टीवीएस द्वारा 1ns के भीतर 10V से नीचे पकड़ लिया जाता है और क्लैंप किया जाता है।

4, टीवीएस डायोड का चयन और डिज़ाइन बिंदु
1. प्रमुख मापदंडों का चयन
रिवर्स कट ऑफ वोल्टेज (वीआरएमएम): यह संरक्षित सर्किट के सामान्य ऑपरेटिंग वोल्टेज से थोड़ा अधिक होना चाहिए। उदाहरण के लिए, 12V बिजली आपूर्ति सर्किट के लिए VRMM=14V वाला टीवीएस चुनना चाहिए;
ब्रेकडाउन वोल्टेज (वीबीआर): आमतौर पर वीआरएमएम का 1.1-1.2 गुना, जिससे सामान्य वोल्टेज उतार-चढ़ाव के दौरान कोई गड़बड़ी न हो;
अधिकतम क्लैंपिंग वोल्टेज (वीसी): बाद के सर्किट के पूर्ण अधिकतम झेलने वाले वोल्टेज से कम होना चाहिए। उदाहरण के लिए, IO पोर्ट 3.3V MCU का वोल्टेज 5.5V झेलता है, और TVS का Vc 4.5V से कम या उसके बराबर होना चाहिए;
पीक पल्स करंट (आईपीपी): इसे सर्ज परीक्षण मानकों (जैसे आईईसी 61000-4-5 लेवल 4) के अनुसार चुना जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, ± 4kV सर्ज परीक्षण के मामले में, 1500W से अधिक या उसके बराबर आईपीपी वाले टीवीएस का चयन करने की आवश्यकता है;
जंक्शन कैपेसिटेंस (सीजे): सिग्नल विरूपण से बचने के लिए उच्च गति सिग्नल लाइनों के लिए कम कैपेसिटेंस टीवीएस (जैसे एसएसीएसरीज जंक्शन कैपेसिटेंस 0.3pF से कम या उसके बराबर) का चयन किया जाना चाहिए।
2. बहु स्तरीय सुरक्षा डिजाइन
चिकित्सा उपकरण आमतौर पर "जीडीटी+टीवीएस+फ़िल्टरिंग" की तीन -स्तरीय सुरक्षा योजना अपनाते हैं:

प्रथम स्तर (जीडीटी): उच्च दबाव प्रतिरोध और बड़े वर्तमान प्रवाह, लेकिन धीमी प्रतिक्रिया के साथ 90% से अधिक ऊर्जा रिलीज के लिए जिम्मेदार;
स्तर 2 (टीवीएस): अवशिष्ट स्पाइक्स के लिए तेज़ प्रतिक्रिया, आईसी स्वीकार्य सीमा तक सटीक क्लैंपिंग;
तीसरा स्तर (फ़िल्टरिंग): चुंबकीय मोतियों और सिरेमिक कैपेसिटर से बना एक π - प्रकार का फ़िल्टर उच्च आवृत्ति शोर को दबाने के लिए उपयोग किया जाता है।
पीसीबी सतह के उच्च वोल्टेज टूटने से बचने के लिए विभिन्न स्तरों के बीच पर्याप्त क्रीपेज दूरी (2 मिमी से अधिक या उसके बराबर) बनाए रखी जानी चाहिए।

3. लेआउट और गर्मी अपव्यय अनुकूलन
कनेक्टर प्रवेश द्वार के पास व्यवस्थित करें: वायरिंग के परजीवी अधिष्ठापन को कम करें। अधिष्ठापन में प्रत्येक 1nH वृद्धि के लिए, उच्च di/dt वृद्धि के तहत अतिरिक्त वोल्टेज ड्रॉप उत्पन्न होगा;
बड़े क्षेत्र का कॉपर कनेक्शन प्रोटेक्शन ग्राउंड (पीजीएनडी): डिजिटल ग्राउंड प्लेन से गुजरने वाली तेज धाराओं से बचने के लिए वायरिंग की चौड़ाई 20 मील से अधिक या उसके बराबर रखने की सिफारिश की जाती है;
ऊष्मा अपव्यय डिज़ाइन: सरणी के माध्यम से ऊष्मा अपव्यय को उच्च - शक्ति टीवीएस (जैसे एसएमसी, डीओ-201 पैकेजिंग) के नीचे जोड़ा जाना चाहिए, और यदि आवश्यक हो तो थर्मल प्रवाहकीय सिलिकॉन ग्रीस का उपयोग किया जाना चाहिए।