วิธีการเลือกและใช้อุปกรณ์อย่างเหมาะสมเพื่อปกป้องอุปกรณ์ทางการแพทย์ ผู้ใช้งาน และผู้ป่วย

การใช้อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ไม่ใช่สำหรับใช้ในห้องปฏิบัติการเพื่อการวินิจฉัยและช่วยชีวิตที่สัมผัสกับผู้ป่วย เช่น เครื่องช่วยหายใจ เครื่องกระตุ้นหัวใจ เครื่องสแกนอัลตร้าซาวด์ และเครื่องตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (EKG) นั้นเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง อันเนื่องมาจากประชากรสูงอายุ ความคาดหวังในการดูแลที่เพิ่มขึ้นของผู้ป่วย และการปรับปรุงเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ที่ทำให้ระบบดังกล่าวสามารถใช้งานได้จริงมากขึ้น อุปกรณ์ดังกล่าวต้องการการป้องกันปัญหาด้านไฟฟ้าหลายแบบที่อาจสร้างความเสียหายต่ออุปกรณ์ บุคลากรของโรงพยาบาล และผู้ป่วย

อย่างไรก็ตามการป้องกันวงจรแบบเต็มรูปแบบนั้นป้องกันได้มากกว่าเทอร์โมฟิวส์ และการใช้การป้องกันไม่ได้เป็นการค้นหาอุปกรณ์ที่ดีที่สุดเพียงชิ้นเดียวสำหรับการออกแบบและใช้งานที่ต้องการ แต่จะเกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจก่อนว่าวงจรใดบ้างที่ต้องการการป้องกันแล้วจึงกำหนดโหมดการป้องกันที่ดีที่สุด โดยทั่วไปแล้วจะต้องใช้อุปกรณ์แบบพาสซีฟหลายตัวเพื่อป้องกัน และระบบทั่วไปอาจจะต้องการอุปกรณ์การป้องการเฉพาะจำนวนมาก อุปกรณ์การป้องกันนั้นเป็นเหมือนประกันภัย ซึ่งประกันภัยนั้นอาจจะไม่ค่อยจำเป็นเท่าไรหรือไม่มีความจำเป็นเลย แต่ค่าใช้จ่ายเมื่อไม่มีประกันภัยนั้นอาจมากกว่าค่าใช้จ่ายเมื่อมีประกันภัย

บทความนี้กล่าวถึงส่วนที่จำเป็นต้องมีการป้องกันในระบบการแพทย์ รวมทั้งสัญญาณ I/O ของเซ็นเซอร์/สัญญาณที่สัมผัสกับผู้ป่วย แหล่งจ่ายไฟ พอร์ตสื่อสาร แกนประมวลผล และอินเตอร์เฟสผู้ใช้งาน นอกจากนั้นยังกล่าวถึงวงจรและอุปกรณ์ป้องกันระบบประเภทต่าง ๆ โดยใช้อุปกรณ์จาก Littelfuse, Inc เป็นตัวอย่างและทดสอบบทบาทและการนำไปใช้งานของวงจรและอุปกรณ์แต่ละประเภท

บทบาทของการป้องกันในระบบทางการแพทย์

เมื่อพูดถึง "การป้องกันวงจร" วิศวกรส่วนใหญ่จะนึกถึงเทอร์โมฟิวส์แบบดั้งเดิมที่ใช้มานานกว่า 150 ปี รูปแบบสมัยใหม่ส่วนใหญ่มาจากผลงานของ Edward V. Sundt ที่ในปีค.ศ. 1927 ได้จดสิทธิบัตรฟิวส์ป้องขนาดเล็กตอบสนองอย่างรวดเร็วตัวแรก เพื่อป้องกันไม่ให้มิเตอร์ทดสอบที่มีความละเอียดอ่อนเกิดความเสียหาย (อ้างอิง 1) จากนั้นในท้ายที่สุดเขาก็ค้นพบสิ่งที่ทำให้กลายมาเป็น Littelfuse, Inc

ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาตัวเลือกการป้องกันวงจรได้เพิ่มการนำไปใช้ในการตรวจพบข้อบกพร่องของวงจรที่อาจเกิดขึ้น ซึ่งอาจเป็น:

• ข้อบกพร่องภายในที่อาจส่งผลให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์อื่น
• ข้อบกพร่องภายในที่อาจทำให้ผู้ใช้งานหรือผู้ป่วยมีความเสี่ยง
• ปัญหาด้านการทำงานภายใน (แรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้า/ความร้อน) ที่อาจให้เกิดความเครียดกับอุปกรณ์อื่นและทำให้อุปกรณ์เสียหายก่อนเวลาอันควร
• การเปลี่ยนแปลงกระทันหันชั่วคราวหรือการโด่งของแรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการทำงานของวงจรตามปกติและหลีกเลี่ยงไม่ได้จะต้องมีจัดการอย่างรอบคอบ

ปัญหาหลายประการเกิดขึ้นกับหน่วยที่ใช้แบตเตอรี่ ไม่ใช่ส่วนที่ใช้พลังงานจากไฟฟ้ากระแสสลับเพียงอย่างเดียว

การทำงานของอุปกรณ์ป้องกันแทบทั้งหมดคือการลดแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงชั่วคราวขนาดใหญ่ที่ไม่สามารถยอมรับได้ มีอุปกรณ์ป้องกันการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวสองประเภทหลัก: ประเภทที่ลดขนาดการเปลี่ยนแปลงชั่วคราว ซึ่งจะป้องกันการแพร่กระจายของการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวเข้าสู่วงจรอ่อนไหว และประเภทที่เบี่ยงเบนการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวออกจากโหลดที่ละเอียดอ่อน และจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่เหลืออยู่ จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะศึกษากราฟการลดความร้อนและประสิทธิภาพในเอกสารข้อมูลของอุปกรณ์อย่างรอบคอบ เนื่องจากบางส่วนระบุถึงการป้องกันการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวในช่วงเวลาต่าง ๆ ตามแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และช่วงเวลาที่กำหนดแทนที่จะเป็นการป้องกันในสภาวะคงที่

พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่ต้องพิจารณาคือ แรงดันไฟฟ้าแคลมปิ้ง กระแสไฟฟ้าสูงสุด แรงดันไฟฟ้าเบรกดาวน์ แรงดันไฟฟ้าย้อนกลับหรือแรงดันไฟฟ้าทำงานย้อนกลับ กระแสพัลส์สูงสุด ความต้านทานแบบไดนามิก และความจุไฟฟ้า นอกจากนั้นการทำความเข้าใจภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดและระบุไว้เป็นสิ่งสำคัญ และยังจ้องพิจารณาขนาดอุปกรณ์และจำนวนช่องหรือสายไฟที่ป้องกัน ตัวเลือกอุปกรณ์ป้องกันที่ดีที่สุดที่นำมาใช้ในชิ้นส่วนวงจรที่กำหนดเป็นฟังก์ชันของปัจจัยเหล่านี้ และมักจะมีการแลกเปลี่ยนพารามิเตอร์ต่าง ๆ อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ โดยจะมีแนวทางที่แทบจะเป็นที่ต้องการหรือแนวทาง "มาตรฐาน" แต่นอกจากนี้ยังมีทางเลือกที่ต้องตัดสินใจ ประเมิน และดำเนินการ

ตัวเลือกการป้องกันวงจรนั้นมีมากมาย: จงเลือกอย่างชาญฉลาด

มีตัวเลือกการป้องกันมากมาย โดยแต่ละตัวเลือกมีหน้าที่และคุณลักษณะแตกต่างกัน ซึ่งอาจเหมาะสมหรือเป็นตัวเลือกเดียวสำหรับการป้องกันระดับความผิดพลาดระดับใดระดับหนึ่งหรือสำหรับลักษณะของวงจรที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ ตัวเลือกการป้องกันหลักคือ:

• เทอร์โมฟิวส์แบบดังเดิม
• อุปกรณ์ค่าสัมประสิทธิ์ของความต้านทานต่ออุณหภูมิเป็นบวกแบบพอลี่ (PPTC)
• เมทัลอ๊อกไซด์วาริสเตอร์ (MOV)
• มัลติเลเยอร์วาริสเตอร์ (MLV)
• ไดโอป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วคราว (TVS)
• ไดโอดอาร์เรย์
• โซลิดสเตตรีเลย์ (SSR)
• ตัวแสดงผลค่าอุณหภูมิ
• หลอดปล่อยประจุในแก็ส (GDT)

เทอร์โมฟิวส์เป็นแนวคิดทางที่เรียบง่าย ที่ใช้ตัวเชื่อมต่อนำไฟฟ้าที่หลอมละลายได้ ซึ่งผลิตจากโลหะที่คัดสรรมาอย่างดีและมีขนาดที่แม่นยำ การไหลของกระแสไฟฟ้าเกินขีดจำกัดที่ออกแบบไว้ทำให้ตัวเชื่อมต่อร้อนขึ้นและละลาย ฟิวส์มาตรฐานใช้เวลาในการเปิดวงจรประมาณหลายร้อยมิลลิวินาทีถึงหลายวินาทีขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสไหลเกินเทียบกับกระแสไฟฟ้าจำกัด โดยในหลาย ๆ การออกแบบแบบ ฟิวส์จะเป็นขั้นสุดท้ายของการป้องกัน ซึ่งจะตอบสนองอย่างเด็ดขาดและไม่สามารถยกเลิกได้

มีฟิวส์สำหรับกระแสไฟฟ้ามึค่าตั้งแต่น้อยกว่าหนึ่งแอมป์ไปจนถึงหลายร้อยแอมป์หรือสูงกว่า และสามารถออกแบบให้ทนแรงดันไฟฟ้าได้หลายร้อยหลายพันโวลต์ระหว่างขั้วทั้งสองในสภาวะวงจรเปิดที่ก่อให้เกิดข้อผิดพลาด

ฟิวส์ทั่วไปคือฟิวส์เซรามิก 0215.250TXP ของ Littelfuse ขนาด 250 มิลลิแอมป์ (mA), 250 โวลต์ AC (V_AC) 5 x 20 มิลลิเมตร (มม.) (รูปที่ 1) เช่นเดียวกับในฟิวส์ส่วนใหญ่ ปลอกทรงตลับและทรงกระบอกไม่ได้บัดกรีเข้าในวงจร แต่จะบัดกรีติดกับตัวยึดฟิวส์แทนเพื่อความสะดวกในการเปลี่ยน นอกจากนั้นฟิวส์ปลอกทรงเหลี่ยมและเบรดฟิวส์นั้นสามารถบัดกรีได้ แต่จะต้องบัดกรีด้วยความระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ส่วนประกอบของฟิวส์เสียหาย

รูปที่ 1: ฟิวส์ 0215.250TXP ของ Littelfuse ขนาด 250 mA, 250 V_AC ในปลอกเซรามิกเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม. และยาว 20 มม. (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

แม้จะดูเรียบง่ายแต่ฟิวส์ก็มีรูปแบบ รายละเอียดปลีกย่อย และปัจจัยอื่น ๆ มากมายที่ต้องนำมาพิจารณาในการเลือกให้เหมาะสมกับวงจร (อ้างอิง 2 และ 3) โดยทั่วไปมักจะใช้ฟิวส์กับด้าน AC ขาเข้า ด้านขาออกที่อาจเกิดการลัดวงจร หรือตำแหน่งที่เป็นปัญหาร้ายแรงที่กระแสไฟฟ้าภายในเกินจนต้องหยุดไหล และตำแหน่งที่พบว่าเป็นปัญหาและได้รับการแก้ไขก่อนกลับมาใช้งานอีกครั้ง

อุปกรณ์ PPTC ทำหน้าที่สองแบบ: การกำกับดูแลด้านความปลอดภัยเช่น พอร์ต USB, แหล่งจ่ายไฟ, แบตเตอรี่ หรือวงจรควบคุมมอเตอร์ และป้องกันความเสี่ยง เช่น พอร์ต I/O ระหว่างสถานการณ์ที่ผิดปกติ เช่น กระแสไฟฟ้าเกินพิกัด โหลดเกินพิกัด หรืออุณหภูมิเกินพิกัด ความต้านทาน PPTC จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งจะจำกัดกระแสไฟฟ้าจ่ายเข้าเพื่อปกป้องส่วนประกอบภายในวงจร

เมื่ออุปกรณ์ PPTC จะเข้าสู่สภาวะความต้านทานสูง กระแสไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยจะผ่านอุปกรณ์อย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์ PPTC ต้องการความร้อนจากกระแสไฟฟ้าต่ำที่เกิดจากกระแส "รั่ว" หรือแหล่งความร้อนภายนอกเพื่อรักษาสภาวะดังกล่าว หลังออกจากสภาวะผิดพลาดและพลังงานไฟฟ้าหมุนเวียน แหล่งความร้อนก็จะหายไป จากนั้นอุปกรณ์จะเข้าสู่สถานะความต้านทานต่ำและวงจรจะกลับเข้าสู่สภาวะทำงานปกติ แม้ว่าอุปกรณ์ PPTC บางครั้งอาจถือว่าเป็น "ฟิวส์ที่สามารถรีเซ็ตได้" แต่ในความเป็นจริงแล้วมันไม่ใช่ฟิวส์แต่เป็นเทอร์มิสเตอร์แบบไม่เป็นเชิงเส้นที่จำกัดกระแส เนื่องจากอุปกรณ์ PPTC ทั้งหมดจะเข้าสู่สถานะความต้านทานสูงภายใต้สภาวะผิดพลาด แต่ในการทำงานปกติยังคงมีแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตรายปรากฏอยู่ในบางส่วนของวงจร

ตัวอย่างที่ดีของ PPTC คือ 2016L100/33DR ของ Littelfuse แบบยึดติดพื้นผิว 33 โวลต์ 1.1 แอมป์ อุปกรณ์ PPTC สำหรับแรงดันไฟฟ้าต่ำ (≤60 โวลต์) ในตำแหน่งที่ต้องการการป้องกันแบบรีเซ็ตได้ (รูปที่ 2) ขนาด 4 x 5 มม. และจะหยุดทำงานภายใน 0.5 วินาทีที่สภาวะกระแสเกิน 8 แอมป์

รูปที่ 2: อุปกรณ์ PPTC 2016L100/33DR ขนาด 33 โวลต์, 1.1 แอมป์ สามารถใช้กับแรงดันไฟฟ้าต่ำที่ต้องการการป้องกันที่สามารถรีเซ็ตได้ ซึ่งจะทำงานภายใน 0.5 วินาทีเมื่อกระแสไฟฟ้าเกิน 8 แอมป์ (แหล่งรูปภาพ: Littelfuse, Inc.)

ในเครื่องช่วยหายใจทั่วไปอาจใช้ 2016L100/33DR เพื่อปกป้อง MOSFET ของระบบจัดการแบตเตอรี่จากกระแสไฟฟ้าสูง เนื่องจากการลัดวงจรภายนอกหรือเป็นการป้องกันกระแสไฟ้าเกินจากชุดชิป USB (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ในแผนภาพบล็อคของเครื่องช่วยหายใจ อุปกรณ์ PPTC สามารถนำมาใช้ในระบบจัดการแบตเตอรี่รวมทั้งส่วนของพอร์ต USB (ส่วนที่ 2 และ 5) (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

MOV เป็นอุปกรณ์แบบไม่เป็นเชิงเส้นและขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและมีพฤติกรรมคล้ายคลึงกับซีเนอร์ไดโอดแบบต่อกลับหัวกัน ลักษณะการเบรกดาวน์ที่สมมาตรและชัดเจนช่วยให้มีประสิทธิภาพในการป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วคราวที่ดีเยี่ยม

เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วคราว ค่าอิมพีแดนซ์ของวาริสเตอร์ลดลงตามอันดับของขนาดจากค่าที่วงจรใกล้เปิดไปเป็นค่าที่มีระดับการนำไฟฟ้าสูง ทำให้แรงดันไฟฟ้าสูงชั่วคราวผ่านวงจรในระดับที่ปลอดภัยในเวลาไม่กี่มิลลิวินาที (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: กราฟกระแสไฟฟ้าและแรงดัน (V-I) ของ MOV แสดงให้เห็นขอบเขตความต้านทานสูงปกติ รวมทั้งขอบเขตอิมพีแดนซ์ที่ต่ำมากซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเกินเกณฑ์ที่กำหนด (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

จากการลดแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วคราว พลังงานที่อาจทำให้พัลส์ที่มีค่าสูงชั่วคราวนั้นถูกดูดซับโดยวาริสเตอร์ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: การสลับ MOV อย่างกะทันหันจากอิมพีแดนซ์สูงไปเป็นอิมพีแดนซ์ต่ำ โดยที่แรงดันไฟฟ้าสูงชั่วขณะถูกลดให้แรงดันไฟฟ้าอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

MOV มีแพ็คเกจให้เลือกมากมาย เช่น V07E250PL2T ขนาด 390 โวลต์, 1.75 กิโลแอมป์ (kA) ซึ่งเป็นดิสก์ขนาดเล็กพร้อมขา มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 7 มม (รูปที่ 6) มักใช้กับด้าน AC ขาเข้า เพื่อป้องกันความเสียหายเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของสาย AC สูงชั่วขณะ (ส่วนที่ 1 รูปที่ 3) โปรดทราบว่า MOV สามารถต่อแบบขนานเพื่อปรับปรุงกระแสไฟฟ้าสูงสุดและความสามารถในการจัดการพลังงาน รวมทั้งต่อแบบอนุกรมเพื่อให้พิกัดแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นกว่าปกติหรือพิกัดระหว่างค่ามาตรฐาน

รูปที่ 6: MOV V07E250PL2T เป็นดิสก์เคลือบขนาด 7 มม. แบบมีขา ทำงานสูงถึง 390 โวลต์และสามารถทนแรงดันสูงชั่วขณะได้ถึง 1,750 แอมป์ (แหล่งที่มารูปภาพ: Littelfuse, Inc.)

MLV คล้ายคลึงกับ MOV และมีการทำงานพื้นฐานที่เหมือนกัน แต่มีโครงสร้างภายในแตกต่างกัน และมีลักษณะที่แตกต่างกันบ้างประการ MLV ผลิตขึ้นมาจากการวางชั้นพิมพ์ซ้อนแบบเปียนของซิงค์ออกไซด์ (ZnO) และอิเล็กโทรดด้านในที่เป็นโลหะ ผ่านการเผาซินเทอร์ การต่อขั้ว การเคลือบกระจก และการชุบในขั้นตอนสุดท้าย โดยทั่วไปที่พิกัดแรงดันไฟฟ้าเดียวกับ MOV ชิ้นส่วน MLV ที่เล็กกว่าจะมีแรงดันไฟฟ้าแคลมป์สูงกว่าที่กระแสไฟฟ้าที่สูงกว่า ในขณะที่ชิ้นส่วนขนาดใหญ่มีความจุพลังงานสูงกว่า

ตัวอย่างเช่น ทดสอบ MVL V12MLA0805LNH โดยใช้มัลติเพิลพัลส์ที่พิกัดกระแสไฟฟ้าสูงสุด (3 แอมป์, 8/20 ไมโครวินาที (µs)) เมื่อสิ้นสุดการทดสอบหลังจาก 10,000 พัลส์ คุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ยังคงเป็นไปตามข้อกำหนด (รูปที่ 7) อุปกรณ์นี้ควรได้รับการพิจารณาเพื่อใช้ในการป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วคราวในแหล่งจ่ายไฟของเครื่องช่วยหายใจและพอร์ต USB (ส่วนที่ 1 และ 5 ในรูปที่ 3)

รูปที่ 7: MLV เช่น V12MLA0805LNH สามารถทนพัลส์สูงชั่วคราวซ้ำ ๆ โดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

นอกจากนั้น ไดโอด TVS ก็ยังปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนจากช่วงที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วคราว และสามารถตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าเกินได้เร็วกว่าอุปกรณ์ป้องกันวงจรประเภทอื่น ๆ ตัวไดโอดจะลดและจำกัดแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับหนึ่งโดยใช้รอยต่อ p-n ที่มีพื้นที่หน้าตัดมากกว่าไดโอดปกติ จึงทำให้ไดโอด TVS สามารถนำกระแสไฟฟ้าจำนวนมากไปยังกราวด์ได้โดยไม่เกิดความเสียหาย

โดยทั่วไปแล้วไดโอด TVS จะใช้เพื่อป้องกันไฟฟ้าเกิน เช่น ฟ้าผ่า การสลับโหลดประเภทเหนี่ยวนำ และการปล่อยไฟฟ้าสถิต (ESD) ที่เกี่ยวข้องกับสายส่งหรือสายข้อมูลและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยเวลาตอบสนองนั้นเป็นไปตามลำดับนาโนวินาที ซึ่งเป็นข้อดีในการปกป้องอินเทอร์เฟซ I/O ที่ค่อนข้างอ่อนไหวในผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ อุปกรณ์ในอุตสาหกรรมและโทรคมนาคม คอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค มีความสัมพันธ์ในการลดแรงดันสูงชั่วคราวที่กำหนดไว้ระหว่างแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วคราวกับแรงดันไฟฟ้าตกครอมและกระแสไฟฟ้าผ่าน TVS โดยเฉพาะที่กำหนดโดยโมเดล TVS ภายใต้การพิจารณา (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: แสดงเป็นความสัมพันธ์ทั่วไปสำหรับ TVS ระหว่างแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะแรงดันไฟฟ้าข้าม TVS และกระแสผ่าน TVS โดยมีค่าเฉพาะที่กำหนดโดยรุ่นไดโอด TVS ที่เลือก (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

SMCJ33A เป็นไดโอด TVS ทิศทางเดียวที่มีแรงดันไฟฟ้าแคลมปิ้ง 53 โวลต์และพิกัดกระแสสูงสุด 28 A ในแพ็คเกจ SMT ขนาด 5.6 x 6.6 มม. นอกจากนี้ยังมีรุ่นแบบสองทิศทาง (มี B ต่อท้าย) สำหรับการใช้งานเมื่อคาดว่าจะเกิดการเปลี่ยนแปลงทั้งในเชิงบวกและเชิงลบ ตัวอย่างการใช้งาน เช่น เครื่องสแกนอัลตร้าซาวด์แบบพกพาพร้อมเครื่องกำเนิดพัลส์ไฟฟ้าแรงสูงเพื่อขับเคลื่อนทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริก สามารถใช้ไดโอด TVS เพื่อป้องกันพอร์ต USB รวมทั้งจอแสดงผลอินเทอร์เฟซผู้ใช้ LCD/LED (ส่วนที่ 2 และ 3 ในรูปที่ 9)

รูปที่ 9: ในแผนภาพบล็อกเครื่องสแกนอัลตร้าซาวด์แบบพกพานี้สามารถใช้ไดโอด TVS เช่น SMCJ33A ที่มีแรงดันไฟฟ้าแคลมปิ้ง 53 โวลต์ เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วขณะที่พอร์ต USB เช่นเดียวกับที่จอ LCD/LED (ส่วนที่ 2 และ 3) (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

ไดโอดอาร์เรย์ ใช้ไดโอดที่ต่อกันเป็นวงรอบไดโอด TVS ขนาดใหญ่ (เช่น ไดโอดซีเนอร์) เพื่อช่วยลดความจุดังที่เห็นในสาย I/O อุปกรณ์เหล่านี้มีความจุออฟสเตทต่ำ 0.3 ถึง 5 พิโกฟารัด (pF) และเหมาะสำหรับระดับ ESD ตั้งแต่ +/18 กิโลโวลต์ (kV) ถึง +/- 30 kV โดยใช้ป้องกัน USB 2.0, USB 3.0, HDMI, eSATA และอินเทอร์เฟซพอร์ตการแสดงผลเพื่ออ้างถึงความเป็นไปได้บางประการ โปรดทราบว่าไดโอดอาร์เรย์ TVS ที่มีชื่อคล้ายกันมีฟังก์ชันพื้นฐานเหมือนกัน แต่มีความจุสูงกว่าจึงเหมาะสำหรับอินเทอร์เฟซที่มีความเร็วต่ำกว่า

SP3019-04HTG เป็นตัวอย่างของไดโออาร์เรย์ดังกล่าว (รูปที่ 10) มีการป้องกัน ESD แบบไม่สมมาตรความจุต่ำพิเศษ (0.3 pF) สี่ช่องในแพ็คเกจ SOT23 หกขา และยังมีกระแสรั่วไหลต่ำมากโดยทั่วไปที่ 10 นาโนแอมแปร์ (nA) ที่ 5 โวลต์ เช่นเดียวกับไดโอด TVS ที่มีการใช้งานทั่วไปเพื่อป้องกันพอร์ต USB รวมถึงจอแสดงผลอินเทอร์เฟซผู้ใช้ LCD/LED (ส่วนที่ 2 และ 3 ในรูปที่ 9)

รูปที่ 10: อาร์เรย์ไดโอดเช่น SP3019-04HTG ให้การป้องกัน ESD สำหรับสาย I/O ความเร็วสูงแบบหลายสาย (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

SSR เรียกอีกอย่างว่า อุปกรณ์เชื่อมต่อทางแสง อนุญาตให้แรงดันไฟฟ้าหนึ่งสัญญาณสับเปลี่ยนและควบคุมแรงดันไฟฟ้าอิสระที่ไม่เกี่ยวข้องกับการแยกกัลวานิกที่ใกล้เคียงกัน (ไม่มีเส้นทางโอห์มมิก) ระหว่างสัญญาณขาเข้าและขาออก สามารถใช้งานกับวัตถุประสงค์กว้าง ๆ หลายประการ ประการแรกคือใช้งานได้: สามารถกำจัดกราวด์ลูประหว่างวงจรย่อยที่แยกจากกันหรืออนุญาตให้ไดรเวอร์ด้านสูงของการกำหนดค่า MOSFET แบบครึ่งหรือแบบ H-bridge ให้ "ลอย" จากกราวด์ วัตถุประสงค์อีกประการหนึ่งคือการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย และมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ ซึ่งคุณสมบัติการแยกออกจากกันเป็นตัวขวางกั้นที่ไม่สามารถผ่านได้ โดยจำเป็นต้องมีการกักกันนี้ในกรณีที่มีแรงดันไฟฟ้าภายในสูง และมีการสัมผัสกับผู้ใช้งานหรือผู้ป่วยด้วยสายวัด หัววัด และปลอก

CPC1017NTR เป็นตัวอย่างของ SSR ขั้วเดียวแบบปกติเปิด (1-Form-A) บรรจุในแพ็คเกจแบบขนาดเล็กสี่ขา 4 mm² โดยให้การแยก 1,500 โวลต์ RMS (V_RMS) ระหว่างสัญญาณขาเข้าและขาออก โดยมีประสิทธิภาพสูงที่ใช้กระแสไฟ LED เพียง 1 mA ในการทำงานสามารถสลับเป็น 100 mA/60 โวลต์ และให้การสลับแบบไม่เกิดอาร์กโดยไม่ต้องใช้วงจรสนับเบอร์ภายนอก นอกจากนี้ยังไม่เกิด EMI/RFI และมีภูมิคุ้มกันต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก ซึ่งเป็นลักษณะที่จำเป็นในเครื่องมือและระบบทางการแพทย์บางอย่าง ในการใช้งานบางอย่าง เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจ นักออกแบบสามารถนำมาใช้เพื่อแยกวงจรไฟฟ้าแรงดันต่ำออกจากแรงดันไฟฟ้าสูงของบริดจ์ที่ขับเคลื่อนด้วยแพดเดิ้ลของเครื่อง (รูปที่ 11)

รูปที่ 11: ในเครื่องกระตุ้นหัวใจ SSR ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แรงดันต่ำขับเคลื่อนแพดเดิ้ลแรงดันสูง ในขณะที่ปล่อยให้ไดรเวอร์ด้านบนที่ “ลอย” ของการจัดเรียงแบบ H-bridge ยังคงแยกออกจากกราวด์ของระบบ (ส่วนที่ 5) (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

ตัวแสดงผลค่าอุณหภูมิ คือเซนเซอร์อุณหภูมิรุ่นพิเศษ เช่น เทอร์มิสเตอร์ แม้ว่าจะเห็นได้ชัดว่าบริเวณใดที่มีความร้อนสูง แต่แหล่งจ่ายไฟหรือแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าก็จำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบความร้อนส่วนเกิน แม้กระทั่งพอร์ต I/O เช่น USB-Type C ก็ยังต้องสามารถจัดการกระแสไฟฟ้าสูงและทำให้ร้อนเกินไป ซึ่งอาจเกิดจากความบกพร่องภายใน หรือแม้กระทั่งการโหลดผิดพลาดหรือสายไฟเที่ต่อกับอุปกรณ์นั้นลัดวงจร

ในการจัดการปัญหาที่อาจเกิดขึ้นนี้ อุปกรณ์เช่น SETP0805-100-SE ซึ่งเป็นตัวแสดงผลค่าอุณหภูมิค่าสัมประสิทธิ์ของความต้านทานต่ออุณหภูมิเป็นบวก (PTC) จะช่วยป้องกันปลั๊ก USB Type-C จากความร้อนสูงเกินไป ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับข้อกำหนดเฉพาะของมาตรฐาน USB และสามารถช่วยป้องกันการจ่ายพลังงานของ USB Type-C ในระดับสูงสุดได้ อุปกรณ์นี้มาในแพ็กเกจ 0805 (ขนาด 2.0 x 1.2 มม.) ทำหน้าที่ปกป้องระบบที่ใช้พลังงาน 100 วัตต์ขึ้นไป โดยมีการบ่งชี้อุณหภูมิที่ละเอียดอ่อนและเชื่อถือได้จากความต้านทานที่เพิ่มขึ้นจาก 12 โอห์ม (Ω) ที่ 25⁰C ถึง 35 กิโลโอห์ม (kΩ) ที่100⁰C ( ค่าทั่วไป)

GDT อาจทำให้วิศวกรนึกถึงท่อขนาดใหญ่เทอะทะระยิบระยับ แต่ในความเป็นจริงนั้นแตกต่างกันมาก ท่อเหล่านี้วางอยู่ระหว่างสายหรือตัวนำที่จะป้องกัน ซึ่งโดยปกติมักจะเป็นสายไฟ AC หรือตัวนำที่ “สัมผัส” และกราวด์ของระบบอื่น ๆ เพื่อให้เป็นกลไกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการนำกระแสไฟฟ้าเกินที่สูงขึ้นลงกราวด์

ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ก๊าซภายในอุปกรณ์จะทำหน้าที่เหมือนฉนวนและ GDT จะไม่นำกระแสไฟฟ้า เมื่อเกิดสภาวะแรงดันไฟฟ้าเกินพิกัด (เรียกว่าการสปาร์ก) ก๊าซภายในท่อจะแตกตัวและนำกระแสไฟ เมื่อสภาวะแรงดันไฟฟ้าเกินพิกัดเกินกว่าพารามิเตอร์ของพิกัดแรงดันไฟฟ้าของการสปาร์ก GDT จะเปิดและปล่อยประจุโดยการเปลี่ยนพลังงานที่เป็นอันตราย GDT เป็นอุปกรณ์สองขั้วสำหรับวงจรที่ไม่มีกราวด์ และอุปกรณ์สามขั้วแบบมีกราวด์อยู่ในแพ็คเกจ SMT ขนาดเล็ก เพื่อความสะดวกในการออกแบบและการประกอบแผงวงจร (รูปที่ 12)

รูปที่ 12: GDT ที่แสดงเป็นอุปกรณ์แบบมีสองขั้ว (ซ้าย) สำหรับวงจรที่ไม่มีกราวด์และ (ขวา) เป็นอุปกรณ์สามขั้วสำหรับวงจรที่มีกราวด์ (สัญลักษณ์ GDT คือกราฟิก "รูปตัว Z" ทางด้านขวาของแต่ละแผนภาพ) (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

GDT สำหรับการใช้งานกับค่าการสปาร์กที่มีค่าต่ำถึง 75 โวลต์ และสามารถรองรับแอมป์ได้หลายร้อยถึงหลายพันแอมแปร์ ตัวอย่างเช่น GTCS23-750M-R01-2 เป็น GDT สองขั้วที่มีค่าการสปาร์ก 75 โวลต์และพิกัดกระแส 1 kA ในแพ็คเกจ SMT ที่มีความยาว 4.5 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 มม. ซึ่งสามารถวางไว้ที่ใดก็ได้ที่ต้องการการป้องกัน (รูปที่ 13)

รูปที่ 13: GDT ไม่จำเป็นต้องมีลักษณะเหมือนอุปกรณ์ที่มีช่องว่างขนาดใหญ่ดังที่เห็นในภาพยนตร์ GTCS23-750M-R01-2 เป็น GDT ขนาด 75 โวลต์ 1 kA ในแพ็คเกจ SMT ที่วัดความยาวเพียง 4.5 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 มม. (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse, Inc)

มาตรฐานเป็นแนวทางในการออกแบบ

อุปกรณ์ทางการแพทย์ต้องเป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยหลายฉบับ ซึ่งบางมาตรฐานใช้กับผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคและผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ และบางมาตรฐานใช้สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์เท่านั้น มาตรฐานต่าง ๆ เหล่านี้มีขอบเขตในระดับสากล โดยมาตรฐานและข้อบังคับต่าง ๆ เหล่านั้นคือ:

• IEC 60601-1-2, “อุปกรณ์ไฟฟ้าทางการแพทย์ - ส่วนที่ 1-2: ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับความปลอดภัยขั้นพื้นฐานและประสิทธิภาพที่จำเป็น - มาตรฐานข้างเคียง: การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า - ข้อกำหนดและการทดสอบ”
• IEC 60601-1-11, "อุปกรณ์ไฟฟ้าทางการแพทย์ส่วนที่ 1-11: ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับความปลอดภัยขั้นพื้นฐานและประสิทธิภาพที่จำเป็น - มาตรฐานข้างเคียง: ข้อกำหนดสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าทางการแพทย์และระบบไฟฟ้าทางการแพทย์ที่ใช้ในสภาพแวดล้อมการดูแลสุขภาพที่บ้าน"
• IEC 62311-2, “การประเมินอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับข้อจำกัด การสัมผัสกับมนุษย์สำหรับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (0 Hz ถึง 300 GHz)”
• IEC 62133-2, “เซลล์ทุติยภูมิและแบตเตอรี่ที่มีอัลคาไลน์หรืออิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ใช่กรดอื่น ๆ - ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับเซลล์ลิเธียมทุติยภูมิแบบพกพาที่ปิดสนิทและสำหรับแบตเตอรี่ที่ทำจากเซลล์เหล่านี้เพื่อใช้ในการใช้งานแบบพกพา - ส่วนที่ 2: ระบบลิเธียม"

การระมัดระวังเกี่ยวกับการเลือกอุปกรณ์ป้องกันวงจรและวิธีใช้จะช่วยให้บรรลุข้อกำหนดด้านความปลอดภัยเหล่านี้ได้อย่างยาวนาน การใช้เทคนิคและส่วนประกอบที่เป็นที่ยอมรับและได้รับการอนุมัติสามารถเร่งกระบวนการอนุมัติได้เช่นกัน

สรุป

ข้อกำหนดเกี่ยวกับสถานที่ สาเหตุ และวิธีการในการใช้อุปกรณ์ป้องกันวงจรโดยทั่วไปและในทางการแพทย์โดยเฉพาะนั้นเป็นความท้าทายในการออกแบบที่ซับซ้อน มีอุปกรณ์ป้องกันที่เหมาะสมหลายอย่าง บางอย่างเฉพาะสำหรับฟังก์ชันวงจรที่กำหนด และอุปกรณ์อื่น ๆ สำหรับการใช้งานทั่วไป แต่ละอุปกรณ์จะมีคุณสมบัติเหมาะสมหรืออย่างน้อยก็ดีกว่าอุปกรณ์หนึ่งสำหรับวงจรต่าง ๆ และสำหรับระบบที่ต้องการการป้องกันดังกล่าว ไม่มีอุปกรณ์ชิ้นเดียวใด ๆ ที่จะตอบสนองความต้องการของระบบที่หลากหลายได้ ดังนั้นนักออกแบบจึงต้องใช้วิธีการป้องกันหลายวิธี

โดยมากแล้วการตัดสินใจมากมายเกี่ยวกับอุปกรณ์ที่จะใช้และวิธีที่ดีที่สุดในการดำเนินการนั้นมีความซับซ้อนและยังต้องได้รับการตรวจสอบตามกฎข้อบังคับอีกด้วย นักออกแบบควรพิจารณาขอความช่วยเหลือจากวิศวกรดูแลผลิตภัณฑ์ที่มีความรู้จากผู้จำหน่ายอุปกรณ์ป้องกันหรือซัพพลายเออร์ (ผู้จัดจำหน่าย) ที่ได้รับมอบหมาย ประสบการณ์และความเชี่ยวชาญของพวกเขาสามารถลดเวลาการนำสินค้าเข้าสู่ตลาด ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการออกแบบที่ละเอียดมากขึ้น และได้รับอนุมัติตามกฎระเบียบอย่างง่ายดาย