Kaip diodai padeda stabilizuoti įtampą medicinos įrangoje?

一, Pagrindinis įtampos reguliatoriaus diodo principas: atvirkštinio gedimo srities valdymas
Zenerio diodas yra PN jungties įtaisas, pagamintas specialiu procesu, kurio pagrindinė charakteristika yra pastovi įtampa atvirkštinio gedimo srityje. Skirtingai nuo įprastų diodų, kai atvirkštinė įtampa pasiekia kritinę reikšmę (gedimo įtampa), įtampos reguliatoriaus diodo srovė smarkiai padidėja, tačiau įtampa abiejuose galuose išlieka iš esmės nepakitusi. Dėl šios savybės jis yra idealus įtampos reguliatoriaus komponentas.

1. Fizikinių mechanizmų analizė
PN sandūros gedimas: kai atvirkštinė įtampa viršija pertraukimo įtampą, elektrinio lauko stipris PN sandūroje yra pakankamas, kad krūvininkai (elektronai ir skylės) gautų pakankamai energijos, sukelia susidūrimo jonizaciją ir susidaro daug krūvininkų, dėl kurių staiga padidėja srovė.
Valdomas gedimas: Dėl medžiagos legiravimo ir konstrukcijos konstrukcijos įtampos reguliatoriaus diodo gedimas yra grįžtamas. Kol srovė neviršija vardinės vertės, prietaisas gali atkurti pradines charakteristikas, pašalinus atvirkštinę įtampą.
Įtampos reguliavimo diapazonas: Įtampos reguliatoriaus diodo įtampos reguliavimo vertė (Vz) paprastai yra nuo 2,4 V iki 200 V, apimanti skirtingus įtampos lygius, reikalingus medicinos įrangai.
2. Įtampos reguliatoriaus grandinės projektavimas
Zenerio diodai dažniausiai naudojami nuosekliai su srovę ribojančiais rezistoriais, kad sudarytų lygiagrečią įtampos reguliatoriaus grandinę. Jo veikimo principas yra toks:

Padidėjus įtampai: Padidėjus įėjimo įtampai (Usr), didėja ir apkrovos įtampa (Usc). Įtampos reguliatoriaus diodas patiria atvirkštinį gedimą, todėl smarkiai padidėja srovė ir padidėja įtampos kritimas per srovę ribojantį rezistorių, taip kompensuojant Usr padidėjimą ir išlaikant Usc stabilumą.
Kai įtampa mažėja: jei Usr mažėja, Usc mažėja, įtampos reguliatoriaus diodo srovė mažėja, srovės ribojimo rezistoriaus įtampos kritimas mažėja, kompensuojant Usr sumažėjimą ir išlaikant Usc stabilumą.
Keičiantis apkrovai: padidėjus apkrovos srovei, didėja srovę ribojančio rezistoriaus įtampos kritimas, mažėja Usc. Įtampos reguliatoriaus diodo srovė mažėja, srovės ribojimo rezistoriaus įtampos kritimas mažėja, o Usc išlieka stabilus.
Pagrindiniai parametrai: kuo mažesnė dinaminė varža (Rz), tuo didesnė srovės ribojimo varža (R) ir išėjimo įtampos stabilumas. Pavyzdžiui, elektrokardiografe naudojant 2CW52 įtampos reguliatoriaus diodą (Vz=6.2V) kartu su 100 Ω srovę ribojančiu rezistoriumi, galima suspausti įvesties įtampos svyravimo diapazoną nuo ± 20 % iki ± 1 %, užtikrinant signalo gavimo tikslumą.

2, Tipiniai medicinos įrangos naudojimo scenarijai
1. Nešiojami medicinos prietaisai: subalansuokite mažą energijos suvartojimą ir didelį patikimumą
Tokiuose įrenginiuose kaip gliukozės kiekio kraujyje matuokliai ir nešiojamieji ultragarsiniai zondai Schottky diodai (pvz., BAT54S) tapo tinkamiausiu pasirinkimu priešpriešiniam prijungimui ir įtampos stabilizavimui dėl mažo tiesioginio įtampos kritimo (0,15–0,45 V) ir greito perjungimo charakteristikų. Pavyzdžiui:

Apsauga nuo atvirkštinio prijungimo: lygiagrečiai prie maitinimo įvesties gnybto prijunkite Schottky diodą. Kai maitinimo poliškumas pakeičiamas, diodas pasikeičia ir išsijungs, blokuodamas srovės kelią ir neleisdamas perdegti vidinei grandinei.
Maitinimo kelio pasirinkimas: Dviejų baterijų maitinimo sistemoje pagrindinis ir atsarginis maitinimo šaltiniai automatiškai perjungiami per diodus, kad būtų užtikrintas nuolatinis maitinimas. Pavyzdžiui, tam tikras nešiojamojo monitoriaus modelis naudoja dvigubą BAT54S lygiagrečią jungtį, kad būtų pasiektas energijos pertekliaus dizainas, kuris vis tiek gali veikti sugedus vienai baterijai.
2. Didelės galios medicininė įranga: atsparumas smūgiams ir stabilumo optimizavimas
Tokiuose įrenginiuose, kaip defibriliatoriai ir aukšto{0}}dažnio elektriniai peiliai, būtina susidoroti su trumpalaikiais didelės srovės šuoliais. Šiuo metu greito atkūrimo diodai (FRD) ir silicio karbido (SiC) diodai tampa pagrindiniais komponentais:

Defibriliatoriaus įkrovimo grandinė: naudojamas MBR30200PT Schottky modulis (30A/200V), kurio atvirkštinis atkūrimo laikas (trr) yra mažesnis nei 5ns, kuris gali užkirsti kelią įtampos šuoliams, atsirandantiems dėl diodo jungiklio delsos įkrovimo metu, ir apsaugoti aukštos -tampos kondensatorius nuo viršįtampio gedimo.
Aukšto dažnio elektrinio peilio išvesties pakopa: naudojant C6D10065A SiC Schottky diodą (100A/650V), jo žemas tiesioginės įtampos kritimas (1,5V) ir atsparumo aukštai temperatūrai charakteristikos (175 laipsnių sandūros temperatūra) užtikrina, kad paties diodo energijos suvartojimas 1MHz metu sumažinamas 60 proc.
3. Tikslieji medicinos instrumentai: signalo vientisumas ir anti-trukdžių konstrukcija
Tokiuose prietaisuose kaip elektrokardiografai ir elektroencefalografai, norint gauti silpnus bioelektrinius signalus, reikia griežtai slopinti triukšmą. Šiuo metu labai svarbus yra bendras fotodiodų ir apsauginių diodų dizainas:

Optoelektroninės jungties izoliacija: signalo įvesties kanale 6N137 optronas naudojamas elektrinei izoliacijai pasiekti ir blokuoti bendrojo režimo trikdžius per fotoelektrinę diodų konversiją. Pavyzdžiui, tam tikras elektroencefalografo modelis per fotoelektrinę jungtį padidina įėjimo varžą iki 10M Ω, o bendrojo režimo atmetimo koeficientas (CMRR) pasiekia 120dB.
ESD apsauga: jutiklio sąsajoje lygiagretus ESD5D150TA Schottky diodas su maža nuotėkio srove (<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, Novatoriškas įtampos stabilizavimo sprendimas: bendras diodų ir kitų komponentų projektavimas
1. Kompozitinė apsaugos grandinė: diodas+TVS diodas
Medicininių endoskopų vaizdo perdavimo modulyje naudojama sudėtinė apsaugos schema „Schottky diodas+TVS diodas“, kad būtų išvengta trumpalaikio viršįtampio, kurį sukelia žaibo smūgis ar statinė elektra:

Schottky diodas: lygiagrečiai prijungtas prie maitinimo įvesties gnybto, užtikrinantis kasdienę apsaugą nuo atbulinės eigos.
TVS diodas: serija prijungta prie signalo linijos, jos itin greitas atsako laikas (<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. Savaiminio atsistatymo apsauga: diodas+PTC termistorius
Nešiojamų medicinos prietaisų (pvz., išmaniųjų apyrankių) įkrovimo grandinėje naudojama „Schottky diodas+PTC termistorius“ savaiminio atsistatymo apsaugos schema:

Schottky diodas: apsaugo nuo akumuliatoriaus atvirkštinio prijungimo, tuo pačiu išnaudoja žemos įtampos kritimo charakteristikas, kad sumažintų įkrovimo nuostolius.
PTC termistorius: nuosekliai prijungtas prie įkrovimo kelio, kai srovė viršija slenkstį, PTC varžos vertė smarkiai padidėja, ribojant srovę; Po trikčių šalinimo PTC automatiškai grįžta į mažo pasipriešinimo būseną ir nereikia keisti komponentų.
3. Idealus diodų sprendimas: integracija ir intelektas
Populiarėjant plataus diapazono medžiagoms, integruoti idealūs diodai (pvz., LM66100DCK) tapo tinkamiausiu aukščiausios klasės medicinos įrangos pasirinkimu. Jo veikimo principas yra toks:

Maitinimo adapterio maitinimas: atjunkite TYPE-C išvestį per vidinį PMOS išjungimą.
TIPO-C maitinimo šaltinis: išveda 5 V įtampa per vidinį PMOS laidumą.
Maitinamas iš baterijos: kai taškas A ir taškas C turi 0 V potencialą, vidinis PMOS laidi, o akumuliatorius tiekia maitinimą apkrovai.
Šis sprendimas turi visapusės apsaugos, žemo slėgio mažinimo, mažo vidinio pasipriešinimo ir mažo šilumos generavimo privalumus ir yra plačiai naudojamas nešiojamoje ultragarso, endoskopo ir kitoje įrangoje.