Como os diodos nos ventiladores médicos protegem a segurança do circuito?

1, proteção anti-conexão reversa: bloqueando o risco de conexão incorreta de energia
Por ser um equipamento médico de alta-precisão, se o terminal de entrada de energia de um ventilador for invertido devido a erros operacionais, poderá causar curto-circuito, queima de componentes ou até mesmo paralisia do equipamento. Através de sua condutividade unidirecional, os diodos podem ser usados ​​para construir circuitos de proteção anti-reversão de baixo-custo e altamente confiáveis.

Casos de aplicação típicos:
Na extremidade de entrada de energia de um ventilador portátil, um diodo Schottky da série (como SK210) é usado para obter proteção anti-reversa. Este diodo tem uma queda de tensão direta de 0,85 V e um pico de tensão reversa de 100 V. Quando os terminais positivo e negativo da fonte de alimentação são invertidos, o diodo desliga, bloqueando o caminho da corrente e evitando danos ao circuito subsequente. Embora o esquema de conexão em série tenha uma perda de queda de tensão de 0,7-1V, a baixa queda de tensão direta característica dos diodos Schottky reduz significativamente o consumo de energia, especialmente adequado para dispositivos portáteis com baixa tensão e alta corrente.

Plano de otimização:
Para ventiladores-de alta potência, um circuito anti-reverso combinando transistor NMOS e diodo regulador de tensão pode ser usado. Quando a fonte de alimentação é conectada positivamente, a porta do transistor NMOS obtém a tensão de ligação-através de um resistor divisor de tensão. Após a condução, a resistência interna está apenas na faixa de miliohms e a queda de tensão pode ser ignorada; Quando invertido, o transistor NMOS é desligado, isolando completamente a corrente de falha. Essa solução equilibra baixo consumo de energia e alta confiabilidade e tem sido amplamente utilizada em equipamentos médicos-de última geração.

2, supressão de tensão transitória: resistir a quedas de raios e flutuações de energia
O ventilador pode sofrer impactos transitórios de alta tensão, como surtos induzidos por raios e mudanças repentinas na tensão da rede durante a operação, e essas energias de pulso podem penetrar em componentes sensíveis, levando à falha do equipamento. Diodos de supressão de tensão transitória (TVS) podem fixar a tensão a um nível seguro em nanossegundos por meio do efeito de quebra de avalanche.

Parâmetros principais e seleção:
Tomando SMBJ33CA como exemplo, sua tensão-de corte reverso é 33V, a faixa de tensão de ruptura é 36,7-42,2V, a tensão máxima de fixação é 53,3V e a corrente de pulso de pico é 11,3A. No circuito de alimentação do ventilador, o diodo TVS é conectado em paralelo a um nó chave (como o terminal de entrada do conversor DC-DC). Quando a tensão excede o limite de ruptura, o TVS conduz rapidamente, liberando a energia de sobretensão para o terra através de um caminho de baixa impedância, protegendo o circuito subsequente contra danos.

Sistema de proteção multinível:
Ventiladores de última geração normalmente usam uma arquitetura de proteção de três{0}}níveis que consiste em tubo de descarga de gás (GDT), varistor (MOV) e TVS. O GDT é usado para absorver milhares de volts de energia de relâmpagos, o MOV suprime centenas de volts de flutuações de energia e o TVS processa pulsos transitórios de nanossegundos para formar uma cadeia protetora de grossa a fina, garantindo a estabilidade do equipamento em ambientes extremos.

3, Limitação e retificação de sinal: garantindo a precisão da aquisição de sinal biológico
O ventilador coleta sinais biológicos fracos, como fluxo de ar respiratório e saturação de oxigênio no sangue dos pacientes, por meio de sensores, com amplitudes normalmente na faixa de milivolts. Se ruídos de alta-frequência ou picos de tensão forem misturados durante a transmissão do sinal, isso poderá causar distorção de dados ou até mesmo disparar alarmes falsos. O diodo pode purificar efetivamente o caminho do sinal por meio de funções limitadoras e retificadoras.

Limitando o projeto do circuito:
No circuito de condicionamento de sinal do sensor de fluxo de ar respiratório, diodos-back to{1}}back (como 1N4148) são usados ​​para construir limitadores. Quando o sinal de entrada excede a tensão de condução do diodo (cerca de 0,7 V), o excesso de energia é fixado para evitar a saturação do amplificador operacional subsequente. Este esquema pode suprimir pulsos de pico causados ​​por interferência eletromagnética (EMI) e garantir que a amplitude do sinal esteja dentro de uma faixa segura.

Aplicação de retificação de onda completa:
Para sinais biológicos que requerem processamento de valor absoluto (como monitoramento respiratório de impedância torácica), pode ser utilizado um circuito de retificação de onda completa composto por amplificadores operacionais e diodos. Este circuito converte sinais CA em sinais unipolares através da condutividade unidirecional dos diodos, enquanto utiliza as características de alta impedância de entrada dos amplificadores operacionais para eliminar erros de queda de tensão em circuitos tradicionais de retificação de diodos e melhorar a precisão da aquisição de sinal.

4, Compensação de temperatura e estabilização de tensão: adaptado a ambientes de trabalho complexos
O ventilador pode precisar operar dentro de uma ampla faixa de temperatura de -20 graus a 50 graus, e as mudanças de temperatura podem causar desvios nos parâmetros dos componentes, afetando a estabilidade do circuito. As características do coeficiente de temperatura dos diodos podem ser usadas para construir circuitos de compensação de temperatura, mantendo a tensão constante em nós críticos através de diodos estabilizadores de tensão.

Caso de compensação de temperatura:
No circuito de condicionamento de sinal do sensor de pressão do ventilador, um diodo com coeficiente de temperatura negativo (como 1N829) é conectado em série com um resistor para compensar o desvio da saída do sensor com mudanças de temperatura. Quando a temperatura aumenta, a queda de tensão do diodo diminui. Ao ajustar a tensão de entrada do amplificador operacional através de um resistor divisor de tensão, o impacto da diminuição na sensibilidade do sensor é compensado para garantir a precisão da medição.

Projeto do circuito regulador de tensão:
Para o nó de alimentação de 5 V do circuito de controle do ventilador, um diodo regulador de tensão ajustável TL431 é usado para construir um circuito regulador de tensão de precisão. O TL431 estabiliza a tensão de saída no valor definido (como 5,0 V ± 1%) ajustando a corrente do cátodo e possui características de resposta rápida para suprimir flutuações de tensão causadas por oscilações de energia e transientes de carga, fornecendo energia limpa para circuitos digitais.