抑制干擾的技術(shù) - 電磁干擾對(duì)醫(yī)療儀器設(shè)備的影響與對(duì)策

　　3 抑制干擾的技術(shù)

　　3.1 專用線路

　　為了抑制儀器設(shè)備間的相互干擾，最簡(jiǎn)單的方法是采用分相供電制。即：在三線供電線路中認(rèn)定一相作為敏感設(shè)備的供電電源；一相作為外部設(shè)備的供電電源；再一相作為常用測(cè)試儀器或其它輔助設(shè)備的供電電源。這種措施常應(yīng)用在大型的醫(yī)療儀器設(shè)備供電系統(tǒng)。

　　值得注意的是在現(xiàn)代醫(yī)用電子儀器設(shè)備系統(tǒng)中，由于配電線路中非線性負(fù)載的使用，造成線路中諧波電流的存在，而零序分量諧波在中線里不能相互抵消，反而疊加，因此過(guò)于遷細(xì)的中線會(huì)造成線路阻抗的增加，干擾也將增加。同時(shí)過(guò)細(xì)的中線還會(huì)造成中線過(guò)熱。

　　3.2 瞬變干擾抑制器

　　3.2.1 氣體放電管

　　俗稱避雷管。優(yōu)點(diǎn)是絕緣電阻高、寄生電容小、浪涌吸收能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是對(duì)浪涌電壓的響應(yīng)速度低。

　　3.2.2 金屬氧化物壓敏電阻

　　壓敏電阻的主要參數(shù)是標(biāo)稱電壓和通流容量。在使用時(shí)，壓敏電阻的電壓選擇要考慮被保護(hù)線路可能有的波動(dòng)電壓，一般取1.2～1.4倍。如果是交流電路，還要注意電壓的有效值與峰值間的關(guān)系。例如220V時(shí)其壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)是220×1.4×1.4＝430V。通流容量應(yīng)根據(jù)所需保護(hù)的具體場(chǎng)合進(jìn)行合理的選擇。使用時(shí)除了安裝引線不宜過(guò)長(zhǎng)，還不宜在高頻場(chǎng)合使用。前者因壓敏電阻對(duì)瞬變干擾吸收時(shí)的高速性能（us）級(jí)，引線越長(zhǎng)感應(yīng)電壓越大，后者因壓敏電阻的固有電容（數(shù)千～數(shù)百PF）。

　　3.2.3 硅瞬變電壓吸收二極管（TVS管）

　　TVS管又叫瞬態(tài)電壓抑制電路。當(dāng)瞬態(tài)電壓保護(hù)二極管受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，以1×10－12s的速度，將其兩極間的高阻抗變成低阻抗，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)了電子線路的敏感元件。具體又分為單向和雙向兩種。主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。特點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快（亞us級(jí)）、浪涌吸收能力高、瞬態(tài)功率大、漏電流小、箝位電壓易控制、沒(méi)有損傷極限和體積小等。廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器設(shè)備的靜電，電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓保護(hù)。使用時(shí)TVS管的擊穿電壓要高于被保護(hù)電路工作電壓的10％。

　　3.2.4 固體放電管

　　固體放電管的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快（10～20ns級(jí)），吸收電流大、動(dòng)作電壓穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)。其工作原理是：當(dāng)外界干擾低于觸發(fā)電壓時(shí)，放電管處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)干擾電壓超出觸發(fā)電壓時(shí)，放電管工作在負(fù)阻區(qū)。此時(shí)電流極大，使干擾能量轉(zhuǎn)移。隨著干擾的減少，通過(guò)放電管的電流回落，當(dāng)干擾電流低于維持電流時(shí)，放電管從低阻區(qū)回到高阻區(qū)，完成～次放電過(guò)程。

　　3.3 電源線濾波器

　　電源線濾波器安裝在電源與電子設(shè)備之間，主要起抑制電能傳輸中寄生的電磁干擾，提高設(shè)備工作可靠性的作用。常用的由無(wú)源集中參數(shù)（電感、電容、電阻）構(gòu)成的單級(jí)線路。如圖1所示。圖中Cx為差模電容，起衰減差模干擾的作用。在220V交流電源中取為幾十～幾百nF，耐壓250VAC。Cy為共模電容，起衰減共模干擾的作用。一般取1nf“4.7nf，耐壓3”6KVDC。L1、L2為共模電感，其電感量與通過(guò)電流的大小有關(guān)，對(duì)共模電流有很好的濾波效果。典型值為幾百nH～幾mH。R起消除濾波器上可能出現(xiàn)的靜電積累。濾波器對(duì)電磁干擾的抑制作用的好壞不僅與它的設(shè)計(jì)與實(shí)際工作條件有關(guān)，還與它的安裝情況有關(guān)。因此，安裝時(shí)一定要確保濾波器外殼與設(shè)備的金屬外殼接觸良好后，再與大地可靠接觸，同時(shí)，還要考慮輸入和輸出線路之間不存在耦合，合理安排濾波器的引線安裝位置。最好的辦法是電源線不直接進(jìn)入設(shè)備機(jī)箱，而是經(jīng)過(guò)濾波之后再進(jìn)入，利用機(jī)殼的自然屏蔽，把電源線干擾排除在設(shè)備之外。

　　提高濾波器性能的措施：一是使用帶地線電感的濾波器。這樣可以抑制地線上的干擾。二是采用多級(jí)濾波器。三是濾波器與吸收器件組合使用。四是使用新型軟磁材料。五是加接有耗元件。

　　3.4 隔離變壓器

　　隔離變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)電路的電氣隔離，解決由地線環(huán)路帶來(lái)的設(shè)備間的相互干擾。

　　3.4.1 普通隔離變壓器

　　普通隔離變壓器在初級(jí)與次級(jí)間不設(shè)屏蔽層，它是通過(guò)輸入與輸出間的電隔離，從而解決公共地的問(wèn)題。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)共模干擾有一定的抑制作用，其大小可用初次級(jí)間的分布電容和設(shè)備對(duì)地分布電容的比值來(lái)估算。通常初次級(jí)間的分布電容為幾百Pf，設(shè)備對(duì)地分布電容為幾“幾十nF，因此共模干擾的衰減值在10”20倍左右（20“30dB）。缺點(diǎn)是對(duì)共模干擾的抑制效果因繞組間的分布電容隨頻率升高而下降。

　　3.4.2 帶屏蔽層的隔離變壓器

　　在變壓器初次級(jí)間增設(shè)屏蔽層，并將屏蔽層可靠接地，既可獲得較好的抑制共模干擾，也可利用屏蔽層抑制差模干擾。具體做法是將變壓器屏蔽層接至初級(jí)的中線端。例如對(duì)50HZ工頻來(lái)說(shuō)，由于初級(jí)與屏蔽層構(gòu)成的容抗很高，仍可通過(guò)變壓器效應(yīng)傳遞到次級(jí)，而未被衰減。對(duì)頻率較高的共模干擾，由于初級(jí)與屏蔽層間容抗變小，使這部分干擾經(jīng)由分布電容及屏蔽層與初級(jí)中線端的連線直接返回電網(wǎng)，而進(jìn)入次級(jí)回路。

　　3.4.3 超級(jí)隔離變壓器

　　超級(jí)隔離變壓器就是性能較完善的多重屏蔽隔離變壓器。具體有雙重屏蔽和三重屏蔽兩種。特點(diǎn)是對(duì)共模和差模干擾都有較強(qiáng)的抑制能力。雙重的是一個(gè)屏蔽層接變壓器初級(jí)的中線，以降低差模干擾；另一層接大地，以抑制共模干擾。三重的靠近初級(jí)的屏蔽層接初級(jí)中線；中間的屏蔽層接變壓器的外殼后再接大地；靠近次級(jí)的屏蔽層，接次級(jí)的一個(gè)端子。

　　3.5 交流穩(wěn)壓器

　　交流穩(wěn)壓器的作用是在輸入電壓和負(fù)載電流變化時(shí)，把其輸出電壓穩(wěn)定在所允許的范圍內(nèi)。常用的有鐵磁諧振、參數(shù)調(diào)整型、伺服型、分級(jí)調(diào)整寬度、超級(jí)隔離、開關(guān)型、不間斷和凈化等交流穩(wěn)壓電源。

　　3.5.1 鐵磁諧振交流穩(wěn)壓電源

　　工作原理是靠改變電感的飽和程度，而使電感與電容諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的。當(dāng)輸輸入電壓因某種因素過(guò)高或過(guò)低時(shí)，其輸出電壓可隨輸入電壓的高低通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定不變。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、輸出阻抗高、過(guò)載能力強(qiáng)、可靠性較高。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度不高、輸出電壓波形失真大、有相移和噪聲。不適宜啟動(dòng)電流大的負(fù)載。

　　3.5.2 參數(shù)調(diào)整型交流穩(wěn)壓電源

　　典型的是早年的614系列穩(wěn)壓器?，F(xiàn)已被一種改進(jìn)型參數(shù)調(diào)整型交流穩(wěn)壓電源所替代。該電源是在614的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，特別是利用可控硅調(diào)感技術(shù)代替了磁放大器。工作原理是利用可控硅的相位控制來(lái)改變電感的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)使輸出電壓穩(wěn)定不變。優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓精度高（可優(yōu)于土1％），同第一種比較還可以抑制交流輸出電壓中的部分諧波。缺點(diǎn)是輸入側(cè)的電流諧波較大、功率因數(shù)較低、有相移。特別是帶非線性負(fù)載時(shí)可能有低頻振蕩現(xiàn)象。

　　3.5.3 伺服型交流穩(wěn)壓電源

　　該電源就是早期的多抽頭自耦式調(diào)壓變壓器。工作原理是監(jiān)視變壓器輸出電壓的高低的辦法來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)改變變壓器輸出抽頭的位置，使輸出電壓在維持負(fù)載所允許的電壓范圍內(nèi)。缺點(diǎn)是響應(yīng)速度低（秒級(jí)），調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多尖峰和振鈴干擾。

　　3.5.4 分級(jí)調(diào)整的寬限交流穩(wěn)壓電源

　　該電源和伺服型交流穩(wěn)壓電源類似，所不同的是多抽頭自耦變壓器的抽頭位置是由繼電器轉(zhuǎn)換。由于該電源價(jià)格低廉，輸入電壓的適應(yīng)范圍較寬，應(yīng)用于家用電器的交流穩(wěn)壓。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度不高，在繼電器轉(zhuǎn)換過(guò)程中易產(chǎn)生電火花所帶來(lái)的尖峰干擾。

　　3.5.5 超級(jí)隔離變壓器

　　為了解決了現(xiàn)代電子儀器設(shè)備的小型化、數(shù)字化和低功耗化，對(duì)電網(wǎng)的瞬變干擾尤其敏感的問(wèn)題，從而誕生多抽頭的超級(jí)隔離變壓器，俗稱凈化電源。對(duì)多抽頭的繞組的控制則采用了無(wú)觸點(diǎn)的雙向可控硅，數(shù)字電路或單片機(jī)。有時(shí)也稱為數(shù)控型凈化電源。優(yōu)點(diǎn)是：穩(wěn)壓電源的電壓適應(yīng)范圍寬、對(duì)電網(wǎng)或負(fù)載變化的響應(yīng)速度快（小于10ms）、對(duì)存在于電網(wǎng)中瞬變干擾抑制能力強(qiáng)。

　　3.5.6 開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源

　　開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源采用了先進(jìn)的高頻開關(guān)電源技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：小型、輕量、高效、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)：復(fù)雜、價(jià)格昂貴。

　　3.5.7 不間斷電源

　　不間斷電源目前有電動(dòng)機(jī)——發(fā)電機(jī)組、靜態(tài)后各式和靜態(tài)在線式三類。

　?、匐妱?dòng)機(jī)一發(fā)動(dòng)機(jī)組　主要由直流電動(dòng)機(jī)（交流電經(jīng)整流后供電）驅(qū)動(dòng)的慣性飛輪和交流發(fā)電機(jī)組組成。當(dāng)電網(wǎng)電壓停電時(shí)，利用飛輪的慣性儲(chǔ)能，使發(fā)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)供電；與此同時(shí)啟動(dòng)備用的柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)油機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速相同時(shí)，油機(jī)離合器與發(fā)電機(jī)相連，完成由市電到油機(jī)的轉(zhuǎn)換。它是較早發(fā)展的一種不間斷電源。優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)：體積大、噪聲大。

　?、陟o態(tài)后備式　電網(wǎng)正常時(shí)，靜態(tài)后備式不間斷電源處在旁通狀態(tài)，即市電經(jīng)輸入濾波器、靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)直接輸送給負(fù)載；與此同時(shí)，市電通過(guò)充電器向蓄電池充電。這時(shí)逆變器不工作。只有當(dāng)市電斷電時(shí)，才將靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)切換到逆變器一側(cè)，經(jīng)過(guò)2”4ms后逆變器啟動(dòng)，將蓄電池中儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)換成交流電，輸給負(fù)載。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、小巧、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：輸出電壓直接受電網(wǎng)波動(dòng)的影響，抗電網(wǎng)中的突變干擾能力差。

　?、垤o態(tài)在線式　該電源的工作過(guò)程是市電先經(jīng)整流后對(duì)蓄電池充電，再由蓄電地給逆變器供電，經(jīng)逆變、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻后為負(fù)載供給交流電源。斷電時(shí)蓄電池不再充電，而逆變器供電的狀態(tài)不變，所以不間斷電源給負(fù)載繼續(xù)提供交流電源。當(dāng)逆變器發(fā)生輸出過(guò)電壓、過(guò)電流或不間斷電源故障時(shí)逆變器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，并通過(guò)靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)轉(zhuǎn)到旁通位置，直接由市電給負(fù)載供電。優(yōu)點(diǎn)：保護(hù)和擴(kuò)展能力強(qiáng)。該電源的容量（幾KVA～幾百KVA）較大，三相大功率的常用醫(yī)院電子計(jì)算機(jī)及監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

　　4 在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用

　　上述各種方法和抗干擾技術(shù)已廣泛應(yīng)用于心腦電圖機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、超聲診斷儀，電子脈沖治療儀針灸電療儀或銀針直接接觸人體等醫(yī)療診斷、治療儀器設(shè)備之中。例如：超聲診斷儀電路較為復(fù)雜，由換能器（探頭）檢測(cè)的信號(hào)較為微弱，對(duì)抗電源干擾有較高要求，若稍不注意就會(huì)在信號(hào)上疊加干擾信號(hào)而無(wú)法正確診斷，機(jī)器除了采用了外殼接地，內(nèi)部特別是對(duì)電源部分采用了嚴(yán)格地屏蔽措施，但對(duì)周邊環(huán)境要求也有很高。例如我市有一家醫(yī)院購(gòu)置了一臺(tái)新的B超儀，放置的房間已經(jīng)遠(yuǎn)離醫(yī)院內(nèi)易產(chǎn)生干擾源，開機(jī)后熒屏上有較強(qiáng)的干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)反復(fù)分析排查發(fā)現(xiàn)是離醫(yī)院1KM處市廣播電臺(tái)的信號(hào)引起，后在電源線上繞了幾圈導(dǎo)線（相當(dāng)于電感）接地后，干擾排除。

　　ECG—6511、ECG－ll系列心電圖機(jī)從電路上看，可以說(shuō)是醫(yī)療儀器設(shè)備防干擾措施和抗干擾技術(shù)綜合應(yīng)用的典范。它集機(jī)殼接地，放電管、二極管、浮地、屏蔽，變壓器隔離，光電耦合為一體。在輸入回路采用了放電管和二極管等組成的高壓去顫保護(hù)電路，在放大電路前級(jí)采用了浮地技術(shù)，使前置放大器的地線和主放大器、主電源（電源變壓器）的地線相互隔離。同時(shí)為了減少50Hz的交流電對(duì)共模信號(hào)的干擾，采用了右腿驅(qū)動(dòng)電路?；颊叩挠彝炔恢苯咏拥?、而是通過(guò)限流電阻與驅(qū)動(dòng)放大器相連，當(dāng)患者和地之間由于干擾或其它原因引起的高電壓或漏電時(shí)，右腿放大器立即飽和，將高電壓和漏電流旁路。另外還采用了變壓器隔離電路，和優(yōu)先使用交流電源的先進(jìn)供電電源等。

　　總而言之，在實(shí)際工作中要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析，機(jī)動(dòng)靈活加以運(yùn)用。