Descargas

Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
Diseño de una fuente conmutada
para uso médico
A. L. Fernández, E. Medina, H. Garrido, E. Espinosa
Calle 202 # 1704 entre 17 y 19, Playa, Ciudad de la Habana, CP 11600.
Instituto Central de Investigación Digital
Email: [email protected]
RESUMEN
ABSTRACT
Se presenta el diseño de una fuente conmutada
de uso médico. Los tres bloques fundamentales
que la componen se diseñaron teniendo en
cuenta la norma general de seguridad de
equipos médicos y algunas de las normas de
ensayos de compatibilidad electromagnética
(EMC). Las pruebas de parámetros técnicos,
así como los principales requisitos de seguridad
eléctrica y EMC comprobados se corresponden
con los requisitos de diseño
propuestos
inicialmente. Esta fuente puede constituir la
fuente principal de cualquier equipo médico con
requisitos similares de alimentación.
This article deal with the design of a switchmode
power supply. Their principal blocks were
designed taking into account the security and
electromagnetic compatibility (EMC)
standards. The tests of the technical, security
and EMC parameters satisfied our
requirements when we started the design. This
block could be power supply of any equipment
with similar requirements of power.
Key words: Off- line power supply, medical use
power supply, AC-DC converter, switchmode
power supply.
Palabras clave: Fuente de entrada de corriente
alterna o tipo OFF-LINE, fuente de uso médico,
conversor AC-DC, fuente de alimentación en
modo conmutado (SMPS).
Bioingeniería y Física Médica Cubana
4
ISSN-1606-0563
Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
1. INTRODUCCIÓN
Generalmente el diseño de una fuente
conectada a la línea de alimentación de
corriente alterna o tipo OFF-LINE para un
equipo médico es un proceso bastante
complejo, debido fundamentalmente a los
diferentes compromisos entre sus parámetros
de tensiones y corrientes máximas de salida y
los requerimientos de seguridad eléctrica y
compatibilidad electromagnética. Normalmente
es un proceso que requiere cierta
especialización y que usualmente se deja para
que otro lo resuelva.
Muchos fabricantes de equipos médicos
deciden comprar la fuente de alimentación a
compañías que se han especializado en este
campo, como forma de minimizar los tiempos
de desarrollo de sus productos y los posibles
efectos indeseables que se pudieran originar en
el equipo médico, por un incorrecto diseño
electrónico de la fuente de alimentación. Un
aspecto secundario es el alto precio que deben
pagar usualmente por las fuentes de
alimentación. El presente trabajo presenta una
solución bastante económica de este
dispositivo, sin sacrificar los principales
requisitos paramétricos y de seguridad a
cumplir. Esto permitirá tener cierta autonomía
en el diseño y construcción de un bloque tan
neurálgico para los equipos médicos.
La selección del tipo de fuente adecuado
depende fundamentalmente del análisis de los
requerimientos de potencia, eficiencia, volumen
y peso, sin descuidar los aspectos relacionados
con las interferencias que estas puedan
ocasionar al resto de los bloques del equipo
médico y a los otros equipos que comparten su
entorno. Si el equipo tiene que ser portátil,
condición que implica pequeño tamaño y bajo
peso, y requiere niveles medios o altos de
corrientes de consumo, la elección debe ser
una fuente conmutada. Si no se requiere
pequeño tamaño, bajo peso y alta eficiencia, y
los consumos de potencia son relativamente
bajos, la elección puede ser una fuente lineal,
que adicionalmente no provocará fenómenos
de interferencias electromagnéticas.
Bioingeniería y Física Médica Cubana
En el presente trabajo se presenta el diseño de
una fuente conmutada de uso médico con
entrada universal.
La fuente de alimentación debe incluir además
un cargador para baterías de Níquel-MetalHidruro, en lo adelante (NiMH). La solución
para el circuito cargador será objeto de una
próxima publicación.
2. METODOLOGÍA
Requisitos de diseño de la fuente de
alimentación:
Tensión de alimentación de entrada: de 100
V a 240 V ( Entrada Universal)
Tensiones de corriente directa de salida:
Salida 1: + 23 V, ± 0.5 V, Imáx de 1,5 A.
Salida 2: + 5 V, ± 0.05 V, Imáx de 1,5 A.
Salida 3: + 12 V, ± 0.12 V, Imáx de 0,5 A
Eficiencia: Mayor del 75 %
Respaldo de batería: Paquete de baterías de
Níquel-Metal-Hidruro (NiMH) de 24 V.
Requisitos de Seguridad Eléctrica: Fuente
para equipo Clase I, Tipo CF, según la Norma
IEC 60601-1 [1].
Requisitos de EMC: Cumple con las normas
siguientes: CEI/IEC 61000-4-2:
Compatibilidad electromagnética. Parte 4:
Técnicas de ensayo y de medida. Seccion 2
CEI/IEC 61000-4-4: Compatibilidad
electromagnética.
Parte 4: Técnicas de ensayo y de medida.
Sección 4
CEI/IEC 61000-4-2: Compatibilidad
electromagnética. Parte 4: Técnicas de
ensayo y de medida. Sección 5 [2], [3] y [4].
Volumen máximo (Anchura x Profundidad x
Altura): (160 mm x 100 mm x 40 mm).
Para satisfacer los requisitos propuestos se
realizaron las siguientes acciones:
Selección del tipo de fuente.
Definición de los bloques eléctricos
principales que conformarán la fuente.
Selección del tipo de configuración y
dispositivo de control del primario del AC-DC.
Diseño del bloque interruptor y selección del
tipo de configuración para el DC-DC.
Requisitos de seguridad eléctrica y
compatibilidad electromagnética.
5
ISSN-1606-0563
Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
2.1 Selección del tipo de fuente
Teniendo en cuenta los requisitos de diseño se
escogió bloque de entrada o etapa AC-DC en
modo conmutado, fundamentalmente por las
principales ventajas de este tipo de esquema
como son: su alta eficiencia, pequeño tamaño,
bajo peso y margen amplio de la tensión de
alimentación de AC de entrada, sin descuidar
de los posibles problemas de interferencias
radiadas y conducidas que pudieran provocar.
2.2 Definición de los bloques eléctricos
principales que conformarán la fuente
Son necesarios tres bloques fundamentales
que se relacionan a continuación:
Conversor AC-DC, donde se generan dos
tensiones de corriente directa (CD). La
primera se alternará con la tensión de CD que
ofrecen las baterías y permitirán alimentar a
un segundo bloque de conversión DC-DC.
Interruptor electrónico, que permita controlar
la alimentación de entrada al DC-DC, y por
ende el control de encendido y apagado que
ejecuta el usuario a través de las teclas ON y
OFF en el supuesto teclado del equipo.
Conversor DC-DC, que debe convertir la
tensión de CD proveniente del AC-DC o del
paquete de baterías en condición de
operación sin red, en las distintas tensiones
(+5 V, + 23 V y + 12 V) necesarias para
energizar a los distintos bloques que
conforman el equipo.
2.3 Selección del tipo de configuración y
dispositivo de control del primario del AC-DC.
Considerando que la potencia a la salida es
menor que 150 VA se seleccionó la topología
flyback para el diseño de la etapa de entrada o
AC-DC. Se valoraron diferentes circuitos
controladores del primario en modo flyback
entre los que se destacan el universalmente
conocido UC3842 [5], originalmente de
Unitrode; la familia TopSwitch-GX [6] del
fabricante Power Integration; y por último la
familia de conmutadores de potencia FPS de
Fairchild [7]. Los dispositivos que más
compitieron en la selección fueron los
TopSwitch-GX y los FPS, debido al alto nivel de
integración de las funciones básicas de control
que se incorporan en los mismos, lo cual implica
Bioingeniería y Física Médica Cubana
necesariamente una menor cantidad de
componentes discretas a utilizar alrededor de
los mismos, además de incrementar la
fiabilidad y la minimización de posibles
interferencias electromagnéticas. Finalmente
se escogieron los FPS, fundamentalmente por
las ventajas de su esquema de regulación tipo
corriente, sobre el esquema de regulación tipo
tensión que usan los TopSwitch-GX.
2.4 Diseño del bloque interruptor y selcción
del tipo de configuración para el DC-DC.
Para el caso del interruptor electrónico la
decisión estuvo a favor de un esquema de
probada eficiencia y fiabilidad, que había sido
utilizado por loa autores. Se basa en el control
de un Mosfet de canal P que actúa como
interruptor, a partir del manejo de un transistor
bipolar asociado al mismo. Se desechó el
esquema tradicional, utilizando biestables y
Mosfet, debido fundamentalmente a las
tensiones de corriente directa que se manejan,
que superan las tensiones máximas de
alimentación de las familias lógicas existentes.
Teniendo en cuenta que el AC-DC ofrecerá un
aislamiento entrada-salida superior a 3000 V,
se decidió diseñar el bloque DC-DC con
reguladores conmutados tipo reductores o
step-down, y en configuración no aislada. En el
equipo médico en que usaremos esta fuente
existe un DC-DC integrado de la compañía
C&D Technologies [8] alimentando el bloque
que se conecta directamente al paciente. Este
dispositivo ofrece un aislamiento de entradasalida de 6 kV, cumpliéndose de esta forma con
los parámetros de tensiones de aislamiento
reforzado con respecto a la red de alimentación
de corriente alterna especificadas en la norma
IEC 60601-1. [1].
2.5 Requisitos de seguridad eléctrica y
compatibilidad electromagnética.
Además de la tensión de aislamiento entradasalida analizada en el apartado anterior, se
brindó especial cuidado en los límites de las
corrientes de fuga a tierra de entrada,
determinadas fundamentalmente en el paso
AC-DC. Se analizaron además los dispositivos
de limitación de sobre tensiones que se
deberían colocar en la entrada, sin que la
6
ISSN-1606-0563
Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
capacidad asociada a los mismos alteraran los
límites de estas corrientes de fuga. Otros
parámetros que se abordan con especial
interés en la norma general de seguridad de
equipos médicos son la separación de los
diferentes circuitos que componen la fuente, el
conjunto general y los componentes utilizados,
los márgenes de temperatura de operación,
almacenamiento y transportación de la misma;
fueron también analizados con mucho cuidado
en el proceso de diseño.
Dentro de los requisitos de EMC que debe
satisfacer la fuente está la inmunidad ante
sobretensiones, que se pudieran manifestar
como transitorios eléctricos, transitorios rápidos
en ráfagas y ondas de choque provocadas
fundamentalmente por:
Descargas electrostáticas.
Manejo de grandes cargas inductivas,
operación de motores, generadores,
máquinas de soldadura por arco, entre otras.
Descargas atmosféricas
Los métodos de ensayos para probar la
inmunidad ante estos fenómenos se
encuentran regulados en las normas IEC
61000-4-2, IEC 61000-4-4 e IEC 61000-4-5.
Estas normas también fueron analizadas
cuidadosamente para conocer los límites
máximos y las duraciones de estas sobre
tensiones, para seleccionar dispositivos
limitadores que actuaran adecuadamente ante
las mismas. Otros aspectos importantes a tener
en cuenta son la inmunidad radiada, así como
los niveles máximos de emisiones radiadas que
nuestra fuente provoca en su entorno.
3.1 CONVERSOR AC-DC
En el Anexo1 se muestra el esquema eléctrico
del AC-DC diseñado. Este bloque es el
encargado de generar las tensiones de
corriente directa necesarias para alimentar al
bloque DC-DC y al bloque de carga de
baterías. Este constituye el primer paso de
aislamiento con respecto a la entrada de AC.
Este aislamiento está determinado
fundamentalmente por las tensiones de
aislamiento salida-entrada que soportan el
transformador T1 y el optoacoplador IC2. La
tensión de entrada de corriente alterna en un
rango entre 100 V y 240 V se rectifica y se filtra
para obtener una tensión de corriente directa
que es aplicada al bloque de regulación
conmutada tipo flyback, obteniéndose a la
salida dos tensiones de corriente directa que
alimentan los dos bloques mencionados
anteriormente. El conversor AC-DC está
formado por los siguientes bloques:
Filtro de línea
Rectificador y filtro primario
Bloque de control y conmutación
Rectificador y filtro de salida
Bloque de regulación
3.1.1 Filtro de línea
Constituido por el filtro de línea tipo híbrido L1,
los capacitores C1 y C2 (tipo “X”), los
capacitores C3 y C4 (tipo “Y”), así como la
resistencia R1, que ofrecen un camino de
descarga a estos capacitores al desconectar la
alimentación. Todos estos garantizan un filtraje
ante interferencias de modo diferencial y de
modo común conducidas por los cables de
alimentación hacia la fuente, así como las que
pudieran generarse producto del
funcionamiento propio de la fuente y conducirse
al exterior, y alterar el funcionamiento de otros
equipos conectados a la misma red.
3.1.2 Rectificador y filtro primario
Se rectifica y se filtra la tensión de corriente
alterna de entrada a través del puente
rectificador D4 y del filtro C6, obteniéndose una
tensión de corriente directa elevada que se
aplica al primario del transformador flyback T1.
En esta etapa se ofrece además una limitación
del pico de corriente que fluye por los
3. DISEÑO DE LA FUENTE
La fuente diseñada está formada por:
el conversor AC-DC,
el interruptor electrónico y
el conversor DC-DC.
A continuación se explican brevemente cada
uno de estos bloques.
Bioingeniería y Física Médica Cubana
7
ISSN-1606-0563
Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
terminales de entrada cuando la fuente se
energiza por primera vez (limitación de la
corriente inrush). Esta limitación se realiza a
través del termistor Th, el cual ofrece una
resistencia en estado “frío” o sin energizar de
unidades de ohm; y en condición “caliente” o
energizado de décimas de ohm. Es decir en el
momento del arranque de la fuente se inserta en
el circuito una resistencia limitadora propia del
estado frío del termistor, que posteriormente
desciende hasta simular un cortocircuito,
equivalente a la resistencia del estado caliente
del mismo [9]. Esta limitación de corriente
además de garantizar un buen funcionamiento
de la fuente, es de vital importancia para
proteger la fiabilidad de numerosos
componentes que componen las etapas
siguientes.
3.1.3 Bloque de control y conmutación
Compuesto por el circuito integrado
KA1M0565 o el FS7M0680 (IC11), circuito
modulador de ancho de pulso en modo
corriente, que posee las funciones necesarias
para implementar esquemas off-line de control
en modo corriente a una frecuencia fija en
modo flyback y en modo forward [10]. Dentro de
sus principales características se destacan:
Optimizado para aplicaciones tipo off-line.
Incorpora internamente un transistor
SensFet de alta
tensión (650 V).
Limitación de corriente pulso por pulso.
Frecuencia de operación fija a 66 kHz.
Protección de sobre tensión.
Protección de sobre corriente.
Arranque suave.
La mayoría de las funciones necesarias en este
tipo de fuente se encuentran internamente
implementadas en este integrado por lo que
necesita una menor circuitería externa con
relación a la que utiliza el controlador tradicional
UC3842; por otra parte la inclusión del transistor
de conmutación lo hace todavía mas compacto
y fiable, minimizándose además fenómenos
relacionados con las emisiones
electromagnéticas, que es un problema típico
de las fuentes conmutadas.
Bioingeniería y Física Médica Cubana
Al energizarse la fuente el capacitor C8 se
carga a través del resistor R2 alimentando a
IC1. Cuando esta tensión alcanza un valor de
15 V, comienza la conducción del mosfet
interno, que actúa como elemento conmutador.
Posteriormente la alimentación de IC1 la
garantiza un enrrollado auxiliar del
transformador T1, a través del terminal 2 del
mismo, pasando por el diodo rectificador D6 y el
capacitor C8. Durante el tiempo de conducción
del mosfet interno la energía se almacena en el
núcleo del transformador de ferrita. En este
momento la polaridad de los enrrollados
secundarios es tal que los rectificadores de
salida se encuentran inversamente
polarizados, no existiendo transferencia de
energía a la salida. La corriente en el circuito
primario se cuantifica a través de un resistor
interno en U1 (Rsense), y se compara contra
un valor de referencia interno en U1. Cuando
se alcanza este umbral de comparación se
deshabilita el mosfet interno y la polaridad de
los enrrollados del transformador cambian,
polarizando en directa los rectificadores de
salida, transfiriéndose toda la energía
almacenada en el núcleo de ferrita a los
capacitores de salida. A través del terminal 4 de
IC1 se obtiene una muestra de la tensión de
salida proveniente del circuito secundario
aislada ópticamente a través del optoacoplador
IC2, garantizándose de esta forma una
regulación de carga.
La energía almacenada en la inductancia
parásita de T1 origina picos de tensión que se
adicionan a la tensión a través de T1 cuando
Q1 esta deshabilitado o en estado “off ”, de
forma tal que se pudiera exceder los límites de
la tensión de ruptura drenaje-fuente del mosfet
interno de IC1 (BVDSS). La red formada por
R3, C7 y D5 se conecta en paralelo al primario
del transformador o terminales 3 y 5, y cumple
el objetivo de limitar estas sobretensiones a
valores inferiores al VDSS del Mosfet.
8
ISSN-1606-0563
Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
3.1.4 Rectificador y filtro de salida
Se rectifica y se filtra la tensión de corriente
alterna a la salida de los dos enrollados
secundarios del transformador T1. Por un lado
se obtiene una tensión de salida de corriente
directa ACDCOUT, que va a servir de entrada al
paso DC-DC descrito en el Anexo 3. La otra
tensión de corriente directa (VCH) se utiliza
para alimentar al bloque encargado de cargar la
batería. El circuito de control de la carga de la
batería no se incluye en este trabajo, sólo en la
Fig. 2, Anexo2, se encuentran algunos
elementos relacionados con este bloque. El
resistor R6 garantiza una corriente de carga
mínima para la salida ACDCOUT, de forma tal
que se logre una correcta regulación de la
misma.
3.1.5 Bloque de regulación
Formado por el circuito integrado TL 431 (IC3),
que es un regulador de tensión en derivación o
tipo shunt. Este tipo de regulador esta diseñado
para utilizarse como referencia y control en
lazos de realimentación para fuentes
conmutadas reguladas. En este se encuentran
integrados una referencia tipo bandgap de 2.5V,
un amplificador operacional y un transistor,
conformando un amplificador de error en el
circuito secundario. Se toma una muestra de la
tensión de salida ACDCOUT a partir del divisor
resistivo formado por R9 y R10 que origina una
tensión próxima a 2.5 V en la entrada de IC3. Si
la tensión muestreada es inferior a 2.5 V la
salida de IC3 no suministra corriente por lo que
no se activa el diodo del optoacoplador IC2.
Cuando esta tensión muestreada alcanza el
valor de 2.5 V hay suministro de corriente a la
salida de IC3, y por consiguiente se activa el
diodo de IC2, habilitándose de esta forma el
fototransistor del mismo, que se conecta al
circuito primario, estableciéndose una
regulación de carga.
3.2 INTERRUPTOR ELECTRÓNICO
En el Anexo 2 aparece el esquema eléctrico del
mismo. Está formado por el circuito electrónico
que gobierna la alimentación de entrada al
conversor DC-DC y por el regulador de
corriente y otros elementos necesarios para el
control de la carga de las baterías. El bloque
Bioingeniería y Física Médica Cubana
de control de carga del paquete de baterías de
NiMH de 24 V no es objetivo de este trabajo.
El bloque interruptor está formado por los
transistores Q1 y Q4, y por R11, R12, R13,
R14, C17 y D9. Entre sus funciones
fundamentales se destacan:
Permitir el paso de la señal ACDCOUT
(salida del bloque AC-DC) para alimentar al
DC-DC.
Interrumpir la alimentación al bloque DC-DC.
La primera función se produce al presionar la
parte superior del interruptor tipo push-button
CN2, equivalente a accionar la tecla ON en el
supuesto teclado del equipo. Con esto se
cortocircuitan instantáneamente los terminales
colector-emisor de Q1, y a través de las
resistencias R11 y R12
se polariza
adecuadamente
el
Mosfet canal P
(Transistor Q2), permitiendo pasar la tensión
presente en el terminal fuente del mismo
(ACDCOUT o BAT+) hacia su terminal de
drenaje. Posteriormente el transistor Q1 se
encarga de mantener a Q2 activado. La
operación de interrupción de la alimentación al
bloque DC-DC se logra presionando la parte
inferior del interruptor tipo push-button CN2,
equivalente a accionar la tecla OFF en el
supuesto teclado de nuestro equipo. Esta
operación provoca un cortocircuito de los
terminales base-emisor de Q1, y por ende un
corte del transistor Q2. En la condición de
operación a partir de la línea de corriente
alterna de entrada la tensión ACDCOUT supera
en magnitud a la ofrecida por la batería o BAT+.
El circuito integrado IC4 actúa como regulador
de corriente para la carga del paquete de
batería. El circuito integrado IC5 ofrece una
tensión de alimentación de 5 V necesarios para
el circuito que controla la carga de estas
baterías y para el circuito comparador IC6 que
permite la obtención de la señal de batería baja.
Los límites de este comparador se establecen a
través de los divisores resistivos R16-R17 y
R18-R19. La tensión INDCDC se utiliza aquí
como tensión de comparación debido a que en
el caso de operación con batería esta sería
aproximadamente igual a BAT+, solo
diferenciándose por la caída en la Rds del
9
ISSN-1606-0563
Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
mosfet Q2. Para el caso de operación con AC, la
tensión ACDCOUT siempre sería mayor que
BAT+, por lo que no daría nivel de batería baja a
la salida de Ic6.
3.3 CONVERSOR DC-DC
Decidimos utilizar reguladores conmutados en
configuración reductora o step-down para cada
una de las tensiones de salidas necesarias. El
esquema eléctrico de este bloque aparece en la
figura 3 del Anexo.
Para el caso de la tensión de salida de + 23 V
utilizamos el regulador L4960A (IC9) de la
compañía SGS Thomson [10]. Dentro de sus
características fundamentales se destacan:
Eficiencia de hasta el 90 %
Corriente de salida de hasta 2,5 A
Tensión de entrada de hasta 46 V
Arranque suave
Limitación interna de corriente
Apagado por excesiva temperatura
La tensión de salida de + 12 V se obtiene a partir
del regulador LM2676T12 (IC7) de National
Semiconductor [11]. Sus características
técnicas principales son:
Eficiencia de hasta el 94 %
Corriente de salida de hasta 3 A
Tensión de entrada de hasta 40 V
Frecuencia de operación fija de 260 kHz
Arranque suave
Baja corriente en estado de off
En el caso de esta salida se propone
opcionalmente el uso del LM2576T12, situado
en la parte superior izquierda en la figura 3,
pero se aclara que la eficiencia puede disminuir
hasta un 88 % debido fundamentalmente a su
frecuencia de operación que es de 52 kHz.
Adicionalmente, el valor y tamaño de la ferrita
va a ser mayor que para el caso del
LM2676T12.
Por último para el caso de la tensión de salida +
5 V se propone como paso inicial un regulador
ajustable LM2676T-ADJ (IC8) también de
National Semiconductor. Las características de
esta versión ajustable son muy similares a la de
la versión fija aunque la eficiencia es
ligeramente inferior, con un valor aproximado
de 88 %. Se decide utilizar esta versión
ajustable para generar una tensión de + 6V y
Bioingeniería y Física Médica Cubana
luego aplicarla a la entrada de un regulador
lineal de baja caída entrada-salida LT1085T5
(IC10), que sirva además para filtrar las
posibles ondulaciones y ruido asociados al
modo conmutado de trabajo del regulador IC8.
A la salida de IC10 obtenemos la tensión de +5V
que alimentará a todos los circuitos digitales y
otros bloques que requieran esta tensión de
alimentación.
4. COMPROBACIÓN DE LOS PARÁMETROS
TÉCNICOS DE LA FUENTE. DISCUSIÓN
Primeramente fueron cuantificados los errores
relativos en las tensiones de salida de corriente
directa para determinadas corrientes de carga
en cada una de estas fuentes. Para ello se
conectaron cargas resistivas a cada salida. Se
realizaron un total de 3 mediciones por cada
salida. Los resultados se relacionan en la
Tabla I.
Tabla I. Errores en las tensiones de salida.
Tensiones de Salida
+ 23 V / I carga = 1 A
+ 5 V / I carga = 1 A
+ 12 V / I carga = 0,4 A
Errores Relativos
<2 %
< 0,2 %
<1 %
Se hicieron mediciones de la eficiencia del
bloque AC-DC y se obtuvieron valores entre el
77 % y el 85 % para una tensión de entrada de
CA entre 100 V y 240 V, lo cual demuestra la alta
eficiencia del paso diseñado y el margen amplio
de alimentación que acepta. Para el caso del
DC-DC se obtuvo una eficiencia resultante de
89 %. Esta alta eficiencia es de suma
importancia cuando nuestro equipo final tiene
que alimentarse con baterías de respaldo. El
paso DC-DC obtenido implica que nuestro
equipo tenga un mayor tiempo de operación
con las mismas.
Dentro de los requisitos de seguridad eléctrica
se midieron las corrientes de fuga a tierra y se
comprobó la tensión de aislamiento salidaentrada de la fuente. Los valores máximos
permisibles de la corriente de fuga, así como los
niveles de tensión a aplicar para la
comprobación de los aislamientos se
especifican en la norma IEC60601-1. Los
resultados se muestran en la Tabla II.
10
ISSN-1606-0563
Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
Tabla II. Requisitos de seguridad eléctrica
comprobados
cumplimiento con las otras normas
fundamentales de inmunidad y emisión radiada
y conducida requieren de un equipamiento
especial.
Valor máximo Valor medido en
permisible (µA) el equipo (µA)
Parámetros
Corriente de
fuga a tierra
Aislamiento a ensayar
para equipos alimentados
hasta 230 V.
Aislamiento básico 1.
2
Aislamiento reforzado .
CondiCondi- ción de Condición primer
ción
normal defecto normal
500
1000
60
Condición de
primer
defecto
5. CONCLUSIONES
Los requisitos que sirvieron como punto de
partida para el diseño fueron cumplidos. De los
resultados obtenidos y discutidos en este
trabajo se puede
afirmar que la fuente
diseñada puede ser utilizada como bloque de
alimentación principal de cualquier equipo
médico que tenga requisitos de alimentación
similares. No obstante en el caso que estos
requisitos difieran un poco de los de la fuente
presentada, la misma ofrece una gran
flexibilidad en el diseño, por lo que se puede
adaptar fácilmente a otras tensiones y
corrientes de salida.
120
Tensión
aplicada (V).
Cumplimiento
1500
3000
Cumple
Cumple
1) Aislamiento entre parte de entrada de AC
cortocircuitada y tierra.
2) Aislamiento entre parte de entrada de AC
cortocircuitada y salida de DC cortocircuitada.
Si se utiliza la fuente diseñada en un equipo que
fuera CF, se deben entonces cuantificar
además de estas corrientes de fuga a tierra, las
corrientes de fuga de envolvente, de paciente y
auxiliar de paciente y sus valores deben estar
por debajo de los especificados en la norma
general IEC60601-1 [1].
Para el caso de las tensiones de aislamiento se
deben comprobar los aislamientos existentes
entre otras partes del equipo. Adicionalmente,
se debe incorporar algún otro paso de
aislamiento superior a 1000 V para alimentar a
aquellos bloques que van directamente
conectados al paciente, y de esta forma se logra
un aislamiento reforzado resultante superior a
4000 V, que es el límite del aislamiento
reforzado para una alimentación de AC que
puede llegar hasta 230 V.
En el caso de los requisitos de compatibilidad
electromagnética se asegura que cumple con
las normas IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-4 e
IEC 61000-4-5 debido a que la solución
electrónica del bloque de entrada de AC fue
diseñado por los mismos autores, y
comprobado con anterioridad en otra fuente
utilizada en un electrocardiógrafo portátil que
pasó las rigurosas pruebas de EMC con vistas a
la obtención del marcado CE en un laboratorio
en Europa acreditado para estos propósitos.
Los ensayos para la comprobación del
Bioingeniería y Física Médica Cubana
BIBLIOGRAFÍA
[1] Norma Europea, EN 60601-1: Equipos
electromédicos. Requisitos generales para la
seguridad, 1993.
[2] Comité Electrotécnico Internacional,
CEI/IEC 61000-4-2: Compatibilidad
electromagnética. Parte 4: Técnicas de ensayo
y de medida. Sección 2: Ensayos de inmunidad
a las descargas electrostáticas, 1995.
[3] Comité Electrotécnico Internacional,
CEI/IEC 61000-4-4: Compatibilidad
electromagnética. Parte 4: Técnicas de ensayo
y de medida. Sección 4: Ensayos de inmunidad
a los transitorios eléctricos rápidos en ráfagas,
1995.
[4] Comité Electrotécnico Internacional,
CEI/IEC 61000-4-2: Compatibilidad
electromagnética. Parte 4: Técnicas de ensayo
y de medida. Sección 5: Ensayos de inmunidad
a las ondas de choque, 1995.
[5] Motorola, UC3842B datasheet. High
performance current mode controllers, 1996.
[6] Power Integrations, TOP 242-250-GX
datasheet. TopSwitch-GX family extended
power, design flexible, ecosmart, integrated offline switcher, 2003.
[7] Fairchild, FS7M0680 datasheet. Fairchild
power switch , 2003.
11
ISSN-1606-0563
Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
[8] C&D Technologies, NMS0509 datasheet.
NMS series. 6 kV DC isolated 2 W dual output
DC-DC converters, 2000.
[9] Billings K H. Switchmode power supply,
McGraw- Hill, USA, 1989.
[10] SGS Thomson, L4960 datasheet. 2.5 A
Power switching regulador, 1996.
[11] National Semiconductor, LM2676
datasheet. Simple switcher high efficiency 3 A
step-down voltage regulator, 2003.
GLOSARIO DE TERMINOS:
Equipo tipo CF: Clasificación según el grado
de protección contra descargas eléctricas
EMC: Compatibilidad Electromagnética
AC-DC: Alterna-Directa
DC-DC: Directa-Directa
Bioingeniería y Física Médica Cubana
12
ISSN-1606-0563
CON3
3
2
1
CN1
SW2
SW1
CN3
RV2
CN2
RV1
Li
Ni
RV3
Ni
R1
C1
1A
3A
2
1
Li
+
Lo
C3
No
C2
C11
5A
2A Lo
4A No
3
4
PGND
FILTROLINEA1
L1
SS
C4
D1
PGND
TH
1A D-PS
D3
FB-PS
FS7M0680
DRAIN
Vcc-PS
D2
VCC
3A
GND
2A
FB
4A
1
PGND
C5
D4
GND
3
VCC
FB
13
C10
2
PGND
FB-PS
KA1M0565
DRAIN
IC1
Vcc-PS
PGND
C6
+
R2
C8
D-PS
PGND
+
D6
D5
C7
R4
3
C9
T1
IC2
PGND
1
2
5
SNC 4
SN2
R3
SN1
R7
11
9
13
D7
C16
IC3
D8
R8
14 Vo2
12
10
Vo1
+
Bioingeniería y Física Médica Cubana
4
C12
+
R5
C13
R10
R9
ACDCOUT
C15
VCH
+
VCH
ACDCOUT
FGND
GND. COMUN
VCH
R6
SALIDAS
C14
ACDCOUT
+
ACDCOUT
Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
ANEXO 1
ISSN-1606-0563
t
Vol 6
Enero - Abril / 2005
Núm1
ANEXO 2
CN3
IC4
ACDCOUT 1
ON
2
VIN
ADJ
VCH
C18
Q1
R15
3
VOUT
LM317T
CN2
1
2
3
4
5
6
7
2
3
4
INDCDC 5
6
BATlow 7
FteCorr
Indicadores
R14
D10
OFF
R13
IC5
INDCDC
GND
VIN
Q2
C20
BAT+ 1
TH
2
3
VOUT
+
L7805CV
2
C19 +
R12
CN4
VCC
INDCDC
R11
3
C21
C22
1
2
3
Entrada de BaterÝa
C17
ACDCOUT
VCC
BAT+
CN5
VCC
D9
R18
R16
1
2
3
FteCorr 4
5
6
7
8
9
10
BAT+ 11
TH
12
13
8
VCC
3
ENTRADAS
BATlow
1
2
VCH
ACDCOUT
OFF
VCH
IC6A
LM393N
4
VCH
ACDCOUT
OFF
VCH
R17
R19
SALIDAS
INDCDC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Conexi¾n Cargador
INDCDC
GND. COMUN
FGND
6
ANEXO 3
FB
IC7
2
C24
C23
NC
GND
+
3
Boost
On/OFF
Vin
L12
1
Vsw
+12
L2
C25
D11
7
5
4
+
LM2676T12
FB6
FB
OUT
4A
R21
2A
L12
R20
6
FB
2
Vin
GND
+
C26
Boost
On/OFF
INDCDC
+23V
D13
C27
NC
5A
3A
IC8
LM2576T12
Vsw
IC10
3
L6
1
L3
6V
3
VIN
ADJ
GND
Vin
ON_ OFF
+12
INDCDC 1A
C28
1
D12
7
5
4
+
VOUT
+12
2
5V
+
LT1085CT
C29
CN6
LM2676T-ADJ
IC9
SS
6
C31
INDCDC
+
OFF
OUT
C32
Comp
+
C30
ENTRADAS
L4960A
Vin
FB
1
LM2576T-ADJ
+23V
L4
7
+
D14
C34
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Salidas
R24
+
C35
2
L6
GND
2A
3
FB6
4
OUT
4A
Osc
FB
5
5A
3A
GND
Vin
ON_ OFF
5V
INDCDC 1A
CN6
R23
R22
INDCDC
R25
C33
GND. COMUN
FGND
Bioingeniería y Física Médica Cubana
14
ISSN-1606-0563