Hoogspanningsweerstanden worden gebruikt in medische apparaten om elektrische stromen binnen vooraf ingestelde bereiken te houden.
Door de gebruikte hoge spanning kan een kleiner aantal weerstanden worden gebruikt om de gewenste uitgangsstroom te bereiken.
Deze weerstanden moeten bestand zijn tegen tientallen jaren gebruik, dus zijn ze gebouwd met minder materiaal en zijn lagere fabricagekosten in hun ontwerp verwerkt.
De meeste medische apparaten werken niet op zeer hoge spanningen (ongeveer 1-2V).
Er zijn echter enkele uitzonderingen.
Veel implanteerbare diagnostische apparaten (IDD's) werken op 5-20V en de werkfrequentie is meestal ook hoger dan het algemene bereik.
Dit betekent dat kostenoverwegingen belangrijker worden bij het ontwerpen van een hoogspanningsweerstand voor medische apparaten.
Hieronder leggen we uit hoe u een goedkope oplossing kunt bouwen voor hoogspanningsweerstanden zonder de veiligheid of betrouwbaarheid in gevaar te brengen.
Waar wordt een weerstand voor gebruikt in medische apparaten?
Hoogspanningsweerstanden worden gebruikt in medische apparaten om elektrische stromen binnen vooraf ingestelde bereiken te houden.
Door de gebruikte hoge spanning kan een kleiner aantal weerstanden worden gebruikt om de gewenste uitgangsstroom te bereiken.
Deze weerstanden moeten bestand zijn tegen tientallen jaren gebruik, dus zijn ze gebouwd met minder materiaal en zijn lagere fabricagekosten in hun ontwerp verwerkt.
De meeste medische apparaten werken niet op zeer hoge spanningen (ongeveer 1-2V).
Er zijn echter enkele uitzonderingen.
Veel implanteerbare diagnostische apparaten (IDD's) werken op 5-20V en de werkfrequentie is meestal ook hoger dan het algemene bereik.
Dit betekent dat kostenoverwegingen belangrijker worden bij het ontwerpen van een hoogspanningsweerstand voor medische apparaten.
Hieronder leggen we uit hoe u een goedkope oplossing voor hoogspanningsweerstanden kunt bouwen zonder de veiligheid of betrouwbaarheid in gevaar te brengen.
Wat te zoeken in een hoogspanningsweerstand
Lage kosten - Hoge spanningen betekenen dat er veel meer weerstanden nodig zijn om de gewenste uitgangsstroom te bereiken.
Als een apparaat hoge bedrijfsspanningen heeft, zullen de kosten van de weerstanden ook hoger zijn.
Gemakkelijk te fabriceren - Hoogspanningsweerstanden hebben meestal een diameter van minder dan 1 mm en grotere lengtes.
Ze zijn meestal ook FR-4 of FR-5 printplaat (PCB) materiaal, dat gemakkelijker is om mee te werken dan de duurdere FR-32.
Een constructie van hogere kwaliteit is belangrijk om ervoor te zorgen dat de weerstanden tientallen jaren meegaan.
Sommige fabrikanten gebruiken vertinde rails terwijl andere vertinde kabels gebruiken.
Weerstanden van hogere kwaliteit hebben verzilverde sporen en kabels.
Back-EMF-tolerantie - Naarmate weerstanden langer worden, neemt de weerstand van de draad af.
De tegen-EMF (elektromotorische kracht) van de weerstand kan ook toenemen als gevolg van een toenemende stroom.
Een tolerantie op de resolutie van de waarde van de weerstand is daarom vereist om rekening te houden met deze veranderingen.
Een weerstand met een variatie in waarde van 5% (bijvoorbeeld 9.9 ohm in plaats van 10.0 ohm) is bijvoorbeeld acceptabel.
Hoge betrouwbaarheid – Hoogspanningsweerstanden werken meestal bij temperaturen van -15ºC tot 85ºC.
De eerste is te koud om problemen zoals kromtrekken van de weerstanden te voorkomen, terwijl de laatste te heet is om betrouwbaarheidsproblemen te voorkomen.
Een hoger bedrijfstemperatuurbereik is daarom vereist om betrouwbaarheidsproblemen te voorkomen.
Stap 1: Identificeer de behoefte
De eerste stap bij het ontwerpen van een hoogspanningsweerstand is het identificeren van de bedrijfsspanning en de werkfrequentie van het product.
U hebt bijvoorbeeld mogelijk een weerstand nodig die geschikt is voor maximaal 5V en werkt op een frequentie tussen 1kHz en 10kHz.
Vervolgens moet u de juiste componenten vinden om aan uw behoeften te voldoen.
Een populaire keuze is de keramische speciale weerstand (CSR).
De CSR wordt het meest gebruikt voor toepassingen met hoog vermogen vanwege de hoogwaardige constructie, hoge betrouwbaarheid en lage kosten.
Een andere populaire keuze is het FR-4 PCB-materiaal vanwege de kosteneffectiviteit en het fabricagegemak.
Een naaste concurrent van de CSR en PCB is het FR-5-materiaal.
Net als de printplaat is het FR-5-materiaal relatief goedkoop.
De CSR en PCB hebben echter het voordeel dat ze bestand zijn tegen respectievelijk hoge spanningen en hoge temperaturen.
Het FR-5-materiaal mist daarentegen de weerstand van de printplaat tegen hoge spanningen en is dus niet zo betrouwbaar in sommige toepassingen.
Stap 2: Kies het juiste materiaal
Bij het kiezen van het juiste materiaal voor uw hoogspanningsweerstand moet u letten op de bedrijfsspanning en de bedrijfstemperatuur van het materiaal.
Zo wordt het PCB-materiaal het meest gebruikt bij temperaturen onder de -20ºC.
De CSR en PCB hebben als voordeel dat ze bestand zijn tegen respectievelijk hoge spanningen en hoge temperaturen.
Een relatief nieuwe materiaalsoort is het FR-5 polymeer met een metalen kern.
Het polymeer is goedkoper dan de PCB- en FR-5 PCB-materialen en wordt vaak gebruikt bij hogere bedrijfstemperaturen.
Het is echter niet zo duurzaam als de printplaat of FR-4 en kan door vocht worden beschadigd.
Bij het kiezen van het juiste materiaal voor uw hoogspanningsweerstand moet u letten op de bedrijfsspanning en de bedrijfstemperatuur van het materiaal.
Stap 3: Bereken capaciteit en ESR
Weerstanden hebben een bepaalde capaciteit, die hun frequentie en impedantie beïnvloedt.
De ESR-waarde (Equivalent Series Resistance) is de equivalente weerstand van de capaciteit en is vrij belangrijk, omdat deze de DC-component van de impedantie verklaart.
De capaciteit wordt gemeten in picofarad (pF) of millifarad (mF).
In de meeste gevallen is de 1% tolerantie van de condensator ruim voldoende voor een hoogspanningsweerstand.
De ESR is de equivalente weerstand van de capaciteit en is vrij belangrijk, omdat deze de DC-component van de impedantie verklaart.
Stap 4: onderdelen toevoegen om een schematisch bordsjabloon te maken
Nadat u de componenten hebt geïdentificeerd, hun waarden hebt berekend en een materiaal voor uw hoogspanningsweerstand hebt gekozen, is het tijd om ze samen te voegen op een sjabloon voor een schemabord.
De sjabloon voor het schemabord is een standaardlay-out van soldeerloze breadboards die worden gebruikt om elektronische circuits te ontwerpen.
De lay-out moet een kolom met componenten aan de linkerkant hebben en een kolom met stroomrails aan de rechterkant.
Er zijn een paar dingen waarmee u rekening moet houden bij het ontwerpen van een sjabloon voor een schemabord.
Eerst moet u ervoor zorgen dat de componenten correct zijn geplaatst en zich binnen de aanbevolen voetafdruk van de stroomrails bevinden.
Ten tweede moet u ervoor zorgen dat de componenten met lagere spanningen worden gevoed.
Ten slotte moet u ervoor zorgen dat het circuit is beschermd tegen eventuele hoge spanningen.