چگونه دیودها می توانند به حفاظت در برابر جریان اضافه در تجهیزات پزشکی دست یابند؟

一، اصل اساسی حفاظت از جریان بیش از حد دیود
هدف اصلی حفاظت از اضافه جریان محدود کردن آسیب جریان های غیرعادی به اجزای مدار است و دیودها از طریق ویژگی های زیر به این عملکرد می رسند:

رسانایی یک جهته: یک دیود فقط اجازه می دهد تا جریان از آند به کاتد جریان یابد و جریان معکوس را مسدود کند. این ویژگی آن را به یک جزء اصلی برای محافظت ضد معکوس تبدیل می کند. به عنوان مثال، در ترمینال ورودی برق یک پروب اولتراسوند قابل حمل، دیودهای موازی شاتکی (مانند SS14) می توانند از جریان برگشتی ناشی از قطبیت معکوس منبع تغذیه جلوگیری کرده و از فرسودگی مدار داخلی جلوگیری کنند.
مشخصه افت ولتاژ رو به جلو: هنگامی که جریان از یک دیود عبور می کند، افت ولتاژ تقریباً 0.2 ولت (دیود شاتکی) تا 0.7 ولت (دیود اتصال PN سیلیکونی) در هر دو انتها ایجاد می شود. با استفاده از این مشخصه می توان مدار محدود کننده جریان را طراحی کرد. به عنوان مثال، در ماژول قدرت یک ربات جراحی، چندین دیود یکسو کننده 1N4007 به صورت سری وصل شده اند تا حداکثر جریان خروجی را از طریق برهم نهی افت ولتاژ محدود کرده و از اضافه بار موتور جلوگیری کنند.
مشخصه خرابی معکوس: زمانی که ولتاژ معکوس از ولتاژ شکست خود فراتر رود، دیود زنر وارد حالت پایدار می شود و ولتاژ را در محدوده ایمن می بندد. این ویژگی به طور گسترده در حفاظت کامپوزیت اضافه ولتاژ / اضافه جریان تجهیزات پزشکی استفاده می شود. به عنوان مثال، در تقویت‌کننده میدان مغناطیسی گرادیان تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)، دیود زنر در ارتباط با فیوز کار می‌کند. هنگامی که جریان از آستانه فراتر رفت، دیود زنر خراب می شود و هدایت می شود و باعث می شود فیوز ذوب شود و مدار قطع شود.
2، سناریوهای کاربردی معمول در تجهیزات پزشکی
1. دستگاه های پزشکی قابل حمل: مصرف انرژی کم و قابلیت اطمینان بالا را متعادل کنید
دیودهای شاتکی به دلیل افت ولتاژ پایین (0.15-0.45 ولت) در دستگاه هایی مانند اندازه گیری قند خون و الکتروکاردیوگراف های قابل حمل ترجیح داده می شوند. به عنوان مثال، یک مدل خاص از دستگاه قند خون از آرایه دیود دوگانه شاتکی BAT54S برای دستیابی به عملکردهای زیر استفاده می کند:

حفاظت ضد اتصال معکوس: به صورت موازی به ترمینال ورودی برق متصل می شود. وقتی قطبیت برق معکوس شود، دیود معکوس می شود و قطع می شود و مسیر جریان را مسدود می کند.
انتخاب مسیر برق: در سیستم منبع تغذیه دو باتری، منبع تغذیه اصلی و پشتیبان به طور خودکار از طریق دیودها سوئیچ می شوند تا از منبع تغذیه مداوم اطمینان حاصل شود.
حفاظت محدود کننده جریان: به صورت سری به مدار محرک موتور متصل می شود، با استفاده از افت ولتاژ برای محدود کردن جریان راه اندازی و جلوگیری از افزایش جریان در هنگام قفل شدن موتور.
2. تجهیزات پزشکی با قدرت بالا: مقاومت در برابر ضربه و بهینه سازی پایداری
در دستگاه‌هایی مانند دفیبریلاتورها و چاقوهای برقی با فرکانس بالا، باید با نوسانات جریان بالا گذرا مقابله کرد. در این مرحله، دیودهای بازیابی سریع (FRD) و دیودهای کاربید سیلیکون (SiC) به اجزای اصلی تبدیل می شوند:

مدار شارژ دفیبریلاتور: ماژول MBR30200PT Schottky (30A/200V) با زمان بازیابی معکوس (trr) کمتر از 5 ثانیه استفاده می‌شود که می‌تواند از افزایش ولتاژ ناشی از تاخیر سوئیچ دیود در طول شارژ جلوگیری کند و خازن‌های ولتاژ بالا{4} را در برابر خرابی اضافه ولتاژ محافظت کند.
مرحله خروجی چاقوی برقی فرکانس بالا: استفاده از دیود شاتکی سی سی سی سی سی دی C6D10065 (100A/650V)، افت ولتاژ رو به جلو پایین (1.5 ولت) و ویژگی های مقاومت در برابر دمای بالا (دمای اتصال 175 درجه) اطمینان حاصل می کند که مصرف برق خود دیود در طول فرکانس 1 مگاهرتز به دلیل برش بیش از حد{8} کاهش می یابد.
3. ابزار دقیق پزشکی: یکپارچگی سیگنال و طراحی ضد تداخل-
در دستگاه هایی مانند الکتروکاردیوگراف و الکتروانسفالوگرافی، دریافت سیگنال های بیوالکتریک ضعیف نیاز به سرکوب شدید نویز دارد. در این مرحله، طراحی مشترک فتودیودها و دیودهای محافظ بسیار مهم می شود:

جداسازی کوپلینگ اپتوالکترونیک: در کانال ورودی سیگنال، یک اپتوکوپلر 6N137 برای دستیابی به ایزولاسیون الکتریکی و جلوگیری از تداخل حالت مشترک از طریق تبدیل فوتوالکتریک دیودها استفاده می شود.
حفاظت ESD: در رابط سنسور، دیود شاتکی موازی ESD5D150TA با جریان نشتی کم (<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، طراحی نوآورانه: حفاظت مشترک از دیودها و سایر اجزا
1. مدار حفاظت کامپوزیت: دیود + دیود TVS
در ماژول انتقال تصویر آندوسکوپ های پزشکی، یک طرح حفاظتی ترکیبی از "دیود شاتکی + دیود TVS" برای جلوگیری از اضافه ولتاژ گذرا ناشی از برخورد صاعقه یا الکتریسیته ساکن اتخاذ شده است:

دیود شاتکی: به صورت موازی به ترمینال ورودی برق متصل می شود و حفاظت ضد معکوس روزانه را ارائه می دهد.
دیود TVS: سری متصل به خط سیگنال، زمان پاسخ بسیار سریع آن (<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. محافظت از خود بازیابی: دیود + ترمیستور PTC
در مدار شارژ دستگاه‌های پزشکی پوشیدنی (مانند دستبندهای هوشمند)، یک طرح حفاظت از خود بازیابی "دیود شاتکی + ترمیستور PTC" اتخاذ شده است:

دیود شاتکی: از اتصال معکوس باتری جلوگیری می کند در حالی که از ویژگی های افت ولتاژ پایین آن برای کاهش تلفات شارژ استفاده می کند.
ترمیستور PTC: سری متصل به مسیر شارژ، زمانی که جریان از آستانه فراتر رود، مقدار مقاومت PTC به شدت افزایش می یابد و جریان را محدود می کند. پس از عیب یابی، PTC به طور خودکار به حالت مقاومت کم بدون نیاز به تعویض قطعات باز می گردد.