Баланс изоляции и иммунитета для оборудования жизнеобеспечения в домашних условиях

Баланс изоляции и иммунитета для оборудования жизнеобеспечения в домашних условиях

Резюме

Домашние аппараты искусственной вентиляции легких, диализные аппараты и кислородные концентраторы теперь работают в гостиных, где двухпроводные розетки, бытовая техника и электростатический разряд ±15 кВ, воздействующий на тело человека, определяют электрическую обстановку. Стандарт IEC 60601-1-11 сохраняет предел утечки тока для пациента типа CF на уровне 10 мкА и не добавляет защитного заземления в конструкцию. В этой статье рассматриваются пять точек соприкосновения между изоляцией и помехоустойчивостью, уравнения утечки и электростатического разряда, а также параметры конденсаторов, обеспечивающие баланс.

1. Введение

За последнее десятилетие объемы продаж медицинского оборудования для домашнего использования выросли на 8-12% в год. Пациенты с ХОБЛ используют неинвазивную вентиляцию легких дома, пациенты, находящиеся на диализе, проводят перитонеальные циклы без наблюдения, а пациенты с апноэ во сне используют аппараты CPAP каждую ночь. В период пандемии COVID-19 койки в больницах закончились, что вынудило пациентов со средними формами заболевания перейти на домашнее лечение.

Стандарт IEC 60601-1-11:2015 охватывает медицинское оборудование, используемое в домашних условиях. Двухпроводная розетка не имеет защитного заземления. Микроволновые печи, пылесосы, светодиодные диммеры и передача данных по силовым линиям создают синфазные помехи. Сухие ковры повышают уровень электростатического разряда человеческого тела до ±15 кВ. В устаревшей бытовой электросети колебания напряжения в сети составляют ±15 %.

Конструкция больничного блока основана на трех линиях защиты: базовой изоляции внутри трансформатора, усиленной изоляции по всей толщине барьера и защитном заземляющем проводнике. Двухпроводная розетка исключает третью линию. Таким образом, изоляционный барьер должен выдерживать любое отдельное короткое замыкание самостоятельно, а предельный ток утечки для пациента типа CF остается на уровне 10 мкА.

В этой статье рассматриваются пять точек соприкосновения между изоляцией и помехоустойчивостью в домашних условиях, уравнения утечки и электростатического разряда, определяющие эти параметры, а также этапы проектирования, позволяющие одновременно удовлетворить обоим требованиям. Затем приводятся параметры конденсаторов, обеспечивающие баланс в течение 8-10 лет службы.

2. Основной механизм

2.1 В случае, когда ток утечки возвращается без защитного заземления.

При наличии защитного заземления Y-конденсатор направляет синфазный ток в низкоимпедансный заземляющий проводник. Без него ток проходит по одному пути: через плавающий корпус, через паразитную емкость от корпуса к цепи пациента, к пациенту и к земле. Каждый пикофарад на этом пути пропускает 0.083 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц.

I_leak = 2π · f · C · V

где I_leak — ток утечки, f — частота сети в Гц, C — емкость связи в пФ, а V — напряжение сети в В.

Паразитный ток емкостью 100 пФ проходит через цепь, пропускающую 8.3 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц, что составляет большую часть предельного значения в 10 мкА за один цикл. Три таких цепи, соединенные параллельно, достигают предельного значения еще до учета трансформатора. Любая емкость на уровне пФ, преодолевающая барьер, в сумме дает ту же величину.

2.2 Бытовые приборы как источники шума

Микроволновая печь потребляет десятки ампер при запуске и излучает широкополосный шум. Двигатель пылесоса искрит на щетках, работая в диапазоне от десятков кГц до десятков МГц. Диммер светодиодов прерывает ток с частотой от 100 Гц до нескольких кГц. Инвертор управляет переключателем с частотой от 5 кГц до 20 кГц. Передача кодированных сигналов по силовым линиям связи осуществляется в диапазоне от 9 кГц до 500 кГц.

Проводимые и излучаемые помехи проникают в цепь пациента через каждую емкость на границе раздела. Их передают межвитковые емкости трансформатора, Y-конденсаторы и паразитные пути на печатной плате. Остаточная часть емкостью 15 пФ пропускает 1.24 мкА при 264 В и 50 Гц, а фронты переключения на частоте 50 В/нс значительно увеличивают ток, передаваемый по цепи, по сравнению с этим значением.

i_cm = C_residual · dv/dt

где i_cm — связанный синфазный ток в мА, C_residual — остаточная емкость на барьере в пФ, а dv/dt — скорость срабатывания фронта переключения в В/нс. Остаточная емкость 99 пФ и фронт 1 В/нс дают синфазный ток 99 мА, который протекает через обратный кабель пациента и создает на нем напряжение.

2.3 Путь распространения электростатического разряда через плавающий корпус

Стандарт IEC 60601-1-2 требует контактного разряда ±8 кВ и разряда в воздухе ±15 кВ. Пол в больнице и проводящая обувь рассеивают этот заряд. Домашний ковер его удерживает. Без защитного заземления заряд уходит через распределенную емкость между корпусом и землей, поэтому потенциал корпуса скачкообразно возрастает.

ΔV = (I_esd · t_pulse) / C_env

где ΔV — скачок потенциала корпуса в В, I_esd — ток электростатического разряда в А, t_pulse — длительность импульса в нс, а C_env — емкость между корпусом и землей в пФ. При емкости 50 пФ и импульсе 30 А длительностью 1 нс напряжение на корпусе поднимается на 600 В выше напряжения на земле.

Этот этап связывается со вторичной обмоткой через межвитковую емкость трансформатора от 80 до 150 пФ. Усилители потока и давления насыщаются, и показания датчиков остаются неверными в течение 100–300 мс. Затем вентиляция продолжается на основе ложных данных, поэтому событие электростатического разряда достигает пациента, даже когда сигнал тревоги не срабатывает.

2.4 Почему больший дроссель может ослабить фильтр

Дроссель с индуктивностью от 10 мГн до 27 мГн имеет межвитковую емкость от 5 пФ до 8 пФ. Дроссель с индуктивностью от 47 мГн до 100 мГн имеет емкость от 15 пФ до 30 пФ. Выше 5 МГц эта емкость закорачивает обмотку, поэтому дополнительная индуктивность компенсирует затухание на низких частотах и ​​нивелирует его на высоких частотах.

f_iwc = 1 / (2π · √(L_cmc · C_iwc))

где f_iwc — частота, на которой межвитковая емкость дросселя обнуляет обмотку, L_cmc — индуктивность дросселя в мГн, а C_iwc — межвитковая емкость в пФ. Дроссель 47 мГн с емкостью 20 пФ обнуляет сам себя вблизи 164 кГц и перестает затухать задолго до края полосы 30 МГц.

Затем обходной высокочастотный ток излучается из сетевого кабеля. Кондуктивные помехи проходят на низких частотах, а излучаемые помехи исчезают в диапазоне от 30 МГц до 100 МГц, поэтому область сбоя перемещается, а не исчезает.

Рис. 1 — Удаление защитного заземления приводит к тому, что ток Y проходит через корпус, поэтому компонент 2.2 нФ не соответствует пределу для пациента, а компоненту 220 пФ требуется дроссель 47 мГн.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Значение Y, устраняющее ЭМС, выходит за пределы возможностей пациента.

Кондуктивные помехи не соответствуют требованиям CISPR 11 на 4–6 дБ в диапазоне частот от 200 кГц до 1 МГц. Интуитивное решение заключается в увеличении емкости Y-конденсатора с 1 нФ до 2.2 нФ, после чего помехи проходят проверку. Аналогичное изменение увеличивает ток утечки на землю до 183 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц, и, соответственно, возрастает и вклад помех в цепь пациента.

В двухпроводной розетке Y-конденсатор не имеет заземления, куда можно было бы вернуться. Ток течет в плавающий корпус, а оттуда — в цепь пациента через паразитную емкость. Группа специалистов изучила ток 9.3 мкА при напряжении 264 В и емкости 95 пФ в главном трансформаторе, при этом запас по току составлял всего 0.7 мкА.

Проблема 2: Увеличение диаметра дроссельной заслонки повышает вероятность сбоя системы выпуска отработавших газов.

Дроссель, выбранный в пункте 1, имеет межвитковую емкость от 15 до 30 пФ, в то время как у меньшей части он составляет от 5 до 8 пФ. Затухание в диапазоне от 5 до 30 МГц уменьшается, а энергия, достигающая сетевого кабеля, возрастает. Излучаемые помехи в диапазоне от 30 до 100 МГц исчезают там, где проходят кондуктивные помехи.

Межвитковая емкость также подключена параллельно Y-конденсатору и остаточному напряжению трансформатора. Все три компонента перекрывают барьер, образуя единую коммуникационную сеть. Для моделирования этой сети необходимо стабильное значение емкости каждой ее части во всем диапазоне температур.

Проблемный момент 3: колебания напряжения в сети влияют на значение емкости конденсатора X7R Y.

В больничной сети напряжение 220 В переменного тока составляет ±5 %. В старой жилой сети напряжение колеблется от 190 В переменного тока летом до 250 В переменного тока поздно ночью, что составляет ±15 %. Конденсатор X7R Y теряет от 50 % до 80 % своей емкости при постоянном напряжении, поэтому его эффективное значение следует за напряжением в сети.

Затем ослабление сигнала фильтром изменяется в зависимости от напряжения в сети, и результаты измерений меняются между запусками испытаний. Образец партии, взятый при напряжении 230 В переменного тока, проходит проверку, в то время как устройство, протестированное при напряжении 250 В переменного тока, не проходит проверку, и на производственной линии наблюдается прерывистый результат, который не воспроизводится при точечном измерении.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Уменьшить емкость Y-конденсатора до 220 пФ и компенсировать это с помощью дроссельного индуктивного элемента.

Замените Y-образный конденсатор 2.2 нФ на конденсатор N4700 220 пФ, рассчитанный на 4000 В переменного тока. Емкостной член уменьшится в 10 раз, с 183 мкА до 18.2 мкА при 264 В переменного тока и 50 Гц. Увеличьте индуктивность синфазного дросселя с 10 мГн до 47 мГн, чтобы восстановить затухание в диапазоне частот от 150 кГц до 30 МГц.

Часть, отвечающая за X-положение, остается неизменной. пленочный конденсаторПоскольку дифференциальный режим работы требует большего значения. Y-компонент на уровне пикофарад должен сохранять сопротивление изоляции во всем рабочем диапазоне. В бытовом кондиционере без кондиционера температура внутри корпуса достигает 45 °C, и сопротивление компонента класса II может упасть до 500 МОм, что превращает постоянный ток в новый источник утечки.

Стратегия 2: Проверяйте трансформатор на частоте 50 Гц, а не 1 кГц.

В технических характеристиках указывается межвитковая емкость, измеренная при частоте дискретизации 1 кГц. При частоте 50 Гц и напряжении переменного тока 264 В эффективное значение на 40–60 % выше, поскольку диэлектрическая поляризация в изоляции обмотки добавляется к геометрическому члену. Запросите у производителя обмотки данные для частоты 50 Гц и отчет о партии.

Стратегия 3: Размещать диэлектрик класса I в каждом месте соединения.

Замените компоненты X7R и Y5V на выходе DC/DC, в каскаде изоляции сигнала и в сети защиты пациента. N4700 Емкость элемента класса I сохраняется при смещении, поэтому значение, выбранное при проверке компоновки, соответствует значению, с которым изделие поставляется. Это изменение снимает ограничение по току для пациента на 1–3 мкА.

Стратегия 4: Очистите внутренние плоскости под изоляционным пазом.

Прорезь, сделанная только в верхнем слое, удлиняет путь поверхностной утечки и сохраняет межслойное соединение нетронутым. Для создания трехмерной полости необходимо очистить все внутренние плоскости под прорезью. Там, где плоскость должна оставаться сплошной, замените медь на сетчатый рисунок, чтобы уменьшить эффективную площадь соединения на 60 %.

Первичная заливка площадью 3 см² поверх слоя толщиной 0.2 мм образует конденсатор емкостью 60 пФ, контактирующий с плоскостью под ним, и пропускает ток 5 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц. Этот единственный путь потребляет половину предельного значения типа CF, поэтому проверка внутреннего слоя должна проводиться в рамках анализа топологии, а не в плане проверки конструкции.

Стратегия 5: Проверка после воздействия влажного тепла при температуре 40 °C и относительной влажности 93 % в течение 48 часов.

Стандарт IEC 60601-1 требует предварительной обработки влажным теплом перед испытанием на диэлектрическую прочность. После этого повторите измерение утечки тока через пациента. Конденсационная пленка внутри изоляционного паза образует проводящий мостик, и эффективный путь утечки возвращается к прямолинейному расстоянию между штырями.

FR4 поглощает от 0.5% до 1.5% воды по массе при относительной влажности 85%, что повышает относительную диэлектрическую проницаемость с 4.5 до 5.5 и добавляет от 25% до 40% к каждой паразитной емкости на плате. Сопротивление поверхностной изоляции также снижается с 10⁹ Ом до 10⁷ Ом после 168 часов, поэтому величина утечки постоянного тока увеличивается вместе с этим.

Стратегия 6: Ограничьте путь прохождения электростатического разряда через корпус.

Разместите разделительные конденсаторы, которые соединяют эталон корпуса с эталоном пациента, и проверьте каждый из них на частичный разряд при 5 пКл и напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Деталь с внутренней полостью теряет сопротивление изоляции с 10 ГОм до 100 МОм после нескольких разрядов электростатического разряда, а при напряжении смещения 500 В ток через цепь пациента составляет 5 мкА.

Добавьте RC-цепь с градуировочным резистором HVR-BSP к каждой точке соединения. Резистор смягчает скачок электростатического разряда и удерживает пиковое напряжение ниже уровня начала частичного разряда конденсатора, благодаря чему защитный барьер выдерживает многократные воздействия.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для домашней изоляционной перегородки.

Компания HVC производит компоненты класса I для точек связи на уровне пикофарад, определяющих величину утечки в устройстве без защитного заземления. Серийные поставки осуществляются крупными компаниями из списка Fortune 500, занимающимися производством медицинского оборудования для визуализации и респираторной техники, с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Сопротивление изоляции превышает 100 000 МОм. Деталь в Y-образном положении емкостью 220 пФ сохраняет сопротивление выше 10 ГОм при 85 °C, поэтому постоянный ток остается в диапазоне наноампер, где емкостной компонент доминирует в измерении.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C. Емкость Y сохраняет свое значение в диапазоне от 10 °C до 45 °C, поэтому ослабление фильтра не изменяется в зависимости от температуры корпуса или напряжения в сети.
• Изменение емкости при постоянном смещении составляет менее 1 %. Компонент емкостью 220 пФ сохраняет свои значения при переменном напряжении 250 В, поэтому расчеты утечки, выполненные при проверке топологии, остаются верными при наихудшем случае напряжения сети.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Барьер выдерживает многократные контактные разряды ±8 кВ без падения сопротивления изоляции, поэтому электростатический разряд не становится постоянным путем утечки.
• Пьезоэлектрическая постоянная находится в диапазоне фКл/Н. Компрессоры и насосы вызывают вибрацию платы с частотой от 10 Гц до 2 кГц, и компонент класса I не преобразует это напряжение в сигнал на линии связи с пациентом.
• Координированные компоненты. HVCT8G а керамические детали HVCT9G сочетаются с толстопленочные резисторы, резисторы выборки и быстровосстанавливающийся диод для всей цепочки изоляции.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а компоненты с нестандартной емкостью или шагом выводов — в течение 6–10 недель. Медицинские заказы включают данные о сопротивлении изоляции на единицу, отчет о частичном разряде при 5 пКл и т. д. Перекрестная ссылка В таблице представлены результаты сравнения с сериями Murata DHS, Vishay 715C и TDK UHV.

Укажите тип используемой детали, чертеж изоляционного барьера, параметры электросети и емкость корпуса. HVC предоставит вам лист распределения утечек, номера деталей для каждого положения соединения и образцы для повторного испытания на воздействие влаги и тепла.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему домашнее устройство не проходит проверку на герметичность, в то время как больничная версия её успешно прошла?

Потому что защитный заземляющий проводник отсутствует. В больнице ток от Y-конденсатора возвращается через низкоимпедансный заземляющий провод. Дома он возвращается через плавающий корпус, паразитную емкость к цепи пациента и к самому пациенту. Каждый пикофарад на этом пути проходит 0.083 мкА при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц.

Вопрос 2: Какого размера должен быть Y-конденсатор?

Для барьера переменного тока 4000 В в большинстве бытовых конструкций требуется 220 пФ. Это значение пропускает 18.2 мкА при 264 В переменного тока и 50 Гц, в то время как для компонента емкостью 2.2 нФ этот показатель составляет 183 мкА. Восстановите потерянное затухание с помощью синфазного дросселя 47 мГн. Не добавляйте емкость для устранения помех и одновременно проверьте межвитковую емкость дросселя.

В3: Всегда ли больший размер дросселя для подавления синфазных помех лучше?

Нет. Дроссель с индуктивностью от 47 мГн до 100 мГн имеет межвитковую емкость от 15 пФ до 30 пФ, в то время как для дросселя с индуктивностью от 10 мГн до 27 мГн она составляет от 5 пФ до 8 пФ. Выше 5 МГц емкость обходит обмотку, поэтому проблема с излучением перемещается из диапазона 200 кГц в диапазон от 30 МГц до 100 МГц, вместо того чтобы исчезнуть.

Вопрос 4: Какой уровень электростатического разряда (ЭСР) воздействует на изоляционный барьер?

Контактное напряжение ±8 кВ и воздушное напряжение ±15 кВ в соответствии с IEC 60601-1-2. При емкости между корпусом и землей 50 пФ и импульсе 30 А длительностью 1 нс напряжение в корпусе повышается на 600 В выше напряжения на земле, и этот скачок передается на вторичную обмотку через межвитковую емкость трансформатора от 80 до 150 пФ.

В5: Зачем проводить проверку на частичный разряд на устройстве с уровнем разряда в пикофарадах?

Поскольку внутренняя пустота со временем превращает конденсатор в источник утечки. Деталь с пустотой теряет сопротивление изоляции с 10 ГОм до 100 МОм после нескольких электростатических разрядов или переходных процессов, а напряжение смещения 500 В затем приводит к току утечки 5 мкА в цепь пациента, что составляет половину от предельного значения в 10 мкА для одной детали.

В6: Какая последовательность тестов подтверждает правильность проекта дома?

Четыре измерения. Утечка тока от пациента при напряжении 264 В переменного тока и частоте 50 Гц с использованием подключенной части в наихудшей конфигурации. Аналогичное измерение после 40 °C / 93 % относительной влажности / 48 часов влажного тепла с пределом дрейфа 0.5 мкА. Ток синфазного режима на кабеле пациента при полной нагрузке. И проверка частичного разряда на каждой соединительной части при 5 пКл.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-1-11:2015, Медицинское электрооборудование — Часть 1-11: Дополнительный стандарт: Требования к медицинскому электрооборудованию и медицинским электросистемам, используемым в условиях домашнего ухода за больными.Женева: МЭК, 2015.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
8. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
9. МЭК 61000-4-4:2012, Электромагнитная совместимость (ЭМС) – Часть 4-4: Методы испытаний и измерений – Испытание на устойчивость к быстрым переходным процессам/импульсам, Изд. 3.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2012.
10. МЭК 61326-1:2020, Электрооборудование для измерения, контроля и лабораторного использования - Требования ЭМС - Часть 1: Общие требования, Изд. 3.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2020.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com