醫(yī)用24V直流穩(wěn)壓電源呼吸機(jī)轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

醫(yī)用呼吸機(jī)通常使用24 V直流穩(wěn)壓電源，當(dāng)交流電網(wǎng)掉電時(shí)，醫(yī)用呼吸機(jī)無(wú)直流電源供給，從而造成呼吸機(jī)無(wú)法正常工作;而一般短延時(shí)的UPS電源在電網(wǎng)掉電時(shí)，最長(zhǎng)提供給負(fù)載的電源，也只能保持30分鐘左右，這對(duì)正在使用呼吸機(jī)的病人來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而且一般的UPS電源價(jià)格較貴，病患家庭難以承受如此高昂的費(fèi)用。為了解決這一問(wèn)題，有必要設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于呼吸機(jī)的廉價(jià)、不間斷電源。通過(guò)設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間掉電的情況下，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為蓄電池供電，把蓄電池中的直流能量轉(zhuǎn)換成一種能長(zhǎng)時(shí)間不間斷提供的直流穩(wěn)壓電源來(lái)供給呼吸機(jī)正常工作，從而達(dá)到以低廉的成本就能維持病人生命的目的。

1 總體設(shè)計(jì)

平時(shí)呼吸機(jī)由市電驅(qū)動(dòng)工作，在交流電網(wǎng)斷電時(shí)，比較器電路自動(dòng)檢測(cè)到斷電直流壓降，輸出一個(gè)低電平信號(hào)，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)一級(jí)延時(shí)、自鎖器、二級(jí)延時(shí)電路送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行開關(guān)轉(zhuǎn)換動(dòng)作，將呼吸機(jī)轉(zhuǎn)為由電池組1供電;當(dāng)電池組1長(zhǎng)時(shí)間工作，電壓降至預(yù)定值時(shí)，比較器電路檢測(cè)到預(yù)定值壓降，輸出一個(gè)低電平信號(hào)，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)一級(jí)延時(shí)、自鎖器、二級(jí)延時(shí)電路送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行開關(guān)轉(zhuǎn)換動(dòng)作，將呼吸機(jī)工作于電池1轉(zhuǎn)為由電池組2供電;這樣可以保證呼吸機(jī)在交流電網(wǎng)斷電后有較長(zhǎng)的工作時(shí)間。

這一工作方案總體設(shè)計(jì)由圖1系統(tǒng)框圖所示。它由比較器、一級(jí)延時(shí)、自鎖器、二級(jí)延時(shí)、驅(qū)動(dòng)器、呼吸機(jī)、市電以及電池組1和電池組2所組成。

2 元器件特性

2.1 LM339比較器

LM339由4組獨(dú)立的精密電壓比較器組成，具有低失調(diào)電壓的特點(diǎn)。它特地為在較大的電壓范圍內(nèi)單電源工作而設(shè)計(jì)，最大可在36 V直流下工作，但也可在雙電源電壓下工作，最大+18 V直流電源下工作。每一片LM339芯片內(nèi)由4個(gè)比較器組成，每個(gè)比較器由一對(duì)同相輸入端Q1和反相輸入端Q4和一個(gè)輸出端Q8組成;由圖中可見，LM339輸出是發(fā)射極接地NPN晶體管的集電極開路形式。集電極互連提供輸出“或”功能。輸出上拉電阻可連接任何電源電壓，輸出管吸入電流受有效驅(qū)動(dòng)量和β的影響。達(dá)到最大限制電流(大約16 mA)，輸出管要退出飽和，輸出電壓很快上升。

2.2 零狀態(tài)響應(yīng)

設(shè)電容在某瞬間t0，而在t0之前瞬間(to-)電路未加電壓輸入，而且自身電壓處于零狀態(tài);在t0瞬間電路加上輸入，由此而引起的響應(yīng)定義為電路的零狀態(tài)響應(yīng)。因此，零狀態(tài)響應(yīng)是僅僅由于輸入所引起的。零狀態(tài)響應(yīng)與輸入有關(guān)。在恒定輸入直流電源作用下，電路內(nèi)的物理過(guò)程實(shí)質(zhì)上是電容動(dòng)態(tài)元件的儲(chǔ)能從無(wú)到有的增長(zhǎng)過(guò)程。因此，對(duì)RC電路來(lái)說(shuō)，隨著電容儲(chǔ)能的增長(zhǎng)，電容電壓uc(t)也按指數(shù)規(guī)律在增長(zhǎng)。即

其中uc(∞)為電容電壓的穩(wěn)態(tài)值(t=∞時(shí)的數(shù)值)，τ=RC。在t=∞時(shí)，電容相當(dāng)于開路，可由此算出uc(∞)，它與輸入電源有關(guān)。當(dāng)uc(t)、uc(∞)、τ=RC確定時(shí)，就可以確定電容充電的時(shí)間長(zhǎng)短。兩邊取對(duì)數(shù)，得

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 比較器

圖3的B1是比較器，在它的反相端4腳由電阻R2、二極管D5和發(fā)光二極管F1組成參數(shù)穩(wěn)壓器，在電源電壓24 V時(shí)，使B1的4腳箝位在2.9 V電壓，這時(shí)F1發(fā)光二極管正常發(fā)光，它有2個(gè)作用，第一個(gè)作用，起箝位電壓作用，第二個(gè)起指示24 V電壓正常供電的作用，其正常發(fā)光時(shí)電流為10mA左右。在B1比較器的同相端5腳由電阻R1、電位器W1和電阻R3組成串聯(lián)分壓器，通過(guò)調(diào)節(jié)W1，其分壓范圍在3.2～1.6 V范圍。B1比較器的輸出端2腳，由圖2可知，LM3