Điện trở cao áp được sử dụng trong các thiết bị y tế để giữ dòng điện trong phạm vi định sẵn.
Điện áp cao được sử dụng có nghĩa là số lượng điện trở nhỏ hơn có thể được sử dụng để đạt được dòng điện đầu ra mong muốn.
Những điện trở này cần có khả năng chịu được thời gian sử dụng trong nhiều thập kỷ, vì vậy chúng được chế tạo với ít vật liệu hơn và chi phí sản xuất thấp hơn được tính vào thiết kế của chúng.
Phần lớn các thiết bị y tế không hoạt động ở điện áp rất cao (khoảng 1-2V).
Tuy nhiên, có một số trường hợp ngoại lệ.
nhiều thiết bị chẩn đoán cấy ghép (IDD) hoạt động ở mức 5-20V và tần số hoạt động thường cao hơn phạm vi chung.
Điều này có nghĩa là việc cân nhắc chi phí trở nên quan trọng hơn khi thiết kế điện trở cao áp cho các thiết bị y tế.
Dưới đây chúng tôi sẽ giải thích cách bạn có thể xây dựng một giải pháp chi phí thấp cho điện trở cao áp mà không ảnh hưởng đến sự an toàn hoặc độ tin cậy.
Điện trở được sử dụng trong các thiết bị y tế là gì?
Điện trở cao áp được sử dụng trong các thiết bị y tế để giữ dòng điện trong phạm vi định sẵn.
Điện áp cao được sử dụng có nghĩa là số lượng điện trở nhỏ hơn có thể được sử dụng để đạt được dòng điện đầu ra mong muốn.
Những điện trở này cần có khả năng chịu được thời gian sử dụng trong nhiều thập kỷ, vì vậy chúng được chế tạo với ít vật liệu hơn và chi phí sản xuất thấp hơn được tính vào thiết kế của chúng.
Phần lớn các thiết bị y tế không hoạt động ở điện áp rất cao (khoảng 1-2V).
Tuy nhiên, có một số trường hợp ngoại lệ.
Nhiều thiết bị chẩn đoán cấy ghép (IDD) hoạt động ở mức 5-20V và tần số hoạt động cũng thường cao hơn phạm vi chung.
Điều này có nghĩa là việc cân nhắc chi phí trở nên quan trọng hơn khi thiết kế điện trở cao áp cho các thiết bị y tế.
Dưới đây chúng tôi sẽ giải thích cách bạn có thể xây dựng giải pháp chi phí thấp cho điện trở cao áp mà không ảnh hưởng đến độ an toàn hoặc độ tin cậy.
Những gì cần tìm trong một điện trở cao áp
Chi phí thấp – Điện áp cao có nghĩa là cần nhiều điện trở hơn để đạt được dòng điện đầu ra mong muốn.
Nếu một thiết bị có điện áp hoạt động cao, chi phí của điện trở cũng sẽ cao hơn.
Dễ chế tạo – Điện trở cao áp thường có đường kính dưới 1mm và chiều dài dài hơn.
Chúng thường là vật liệu bảng mạch in (PCB) FR-4 hoặc FR-5, dễ làm việc hơn so với FR-32 đắt tiền hơn.
Xây dựng chất lượng cao hơn là rất quan trọng để đảm bảo các điện trở tồn tại trong nhiều thập kỷ.
Một số nhà sản xuất sử dụng đường ray mạ thiếc trong khi những nhà sản xuất khác sử dụng dây dẫn mạ thiếc.
Điện trở chất lượng cao hơn có các rãnh và dây dẫn được mạ bạc.
Dung sai EMF ngược – Khi điện trở dài hơn, điện trở của dây giảm.
EMF ngược của điện trở (lực điện động) cũng có thể tăng do dòng điện tăng.
Do đó, cần có dung sai về độ phân giải của giá trị điện trở để tính đến những thay đổi này.
Ví dụ: điện trở có giá trị thay đổi 5% (ví dụ: 9.9 ôm thay vì 10.0 ôm) có thể chấp nhận được.
Độ tin cậy cao – Điện trở cao áp thường hoạt động ở nhiệt độ từ -15ºC đến 85ºC.
Cái trước quá lạnh để tránh các vấn đề như cong vênh điện trở, trong khi cái sau quá nóng để tránh các vấn đề về độ tin cậy.
Do đó, cần có dải nhiệt độ hoạt động cao hơn để tránh các vấn đề về độ tin cậy.
Bước 1: Xác định nhu cầu
Bước đầu tiên khi thiết kế điện trở cao áp là xác định điện áp hoạt động và tần số hoạt động của sản phẩm.
Ví dụ: bạn có thể cần một điện trở được định mức tối đa là 5V và hoạt động ở tần số từ 1kHz đến 10kHz.
Tiếp theo, bạn cần tìm các thành phần phù hợp để đáp ứng nhu cầu của bạn.
Một lựa chọn phổ biến là điện trở đặc biệt gốm (CSR).
CSR được sử dụng phổ biến nhất cho các ứng dụng năng lượng cao do kết cấu chất lượng cao, độ tin cậy cao và chi phí thấp.
Một lựa chọn phổ biến khác là vật liệu PCB FR-4 do tính hiệu quả về chi phí và dễ chế tạo.
Một đối thủ cạnh tranh gần với CSR và PCB là vật liệu FR-5.
Giống như PCB, vật liệu FR-5 tương đối rẻ.
Tuy nhiên, CSR và PCB có lợi ích tương ứng là có thể chịu được điện áp cao và nhiệt độ cao.
Mặt khác, vật liệu FR-5 thiếu khả năng chống lại điện áp cao của PCB và do đó không đáng tin cậy trong một số ứng dụng.
Bước 2: Chọn vật liệu phù hợp
Khi chọn vật liệu phù hợp cho điện trở cao áp, bạn cần lưu ý đến điện áp hoạt động và nhiệt độ hoạt động của vật liệu.
Ví dụ, vật liệu PCB được sử dụng phổ biến nhất ở nhiệt độ dưới -20ºC.
CSR và PCB có lợi thế tương ứng là có thể chịu được điện áp cao và nhiệt độ cao.
Một loại vật liệu tương đối mới là polyme FR-5 có lõi kim loại.
Polyme rẻ hơn so với vật liệu PCB và FR-5 PCB và thường được sử dụng ở nhiệt độ hoạt động cao hơn.
Tuy nhiên, nó không bền bằng PCB hoặc FR-4 và có thể bị hỏng do hơi ẩm.
Khi chọn vật liệu phù hợp cho điện trở cao áp, bạn cần lưu ý đến điện áp hoạt động và nhiệt độ hoạt động của vật liệu.
Bước 3: Tính toán điện dung và ESR
Điện trở có một lượng điện dung nhất định, ảnh hưởng đến tần số và trở kháng của chúng.
Giá trị ESR (Equivalent Series Resistance) là điện trở tương đương của điện dung và khá quan trọng, vì nó chiếm thành phần DC của trở kháng.
Điện dung được đo bằng picofarads (pF) hoặc millifarads (mF).
Trong hầu hết các trường hợp, dung sai 1% của tụ điện là quá đủ cho điện trở cao áp.
ESR là điện trở tương đương của điện dung và khá quan trọng, vì nó chiếm thành phần DC của trở kháng.
Bước 4: Thêm các bộ phận để tạo mẫu bảng sơ đồ
Khi bạn đã xác định được các thành phần, tính toán giá trị của chúng và chọn vật liệu cho điện trở cao áp, đã đến lúc đặt chúng lại với nhau trên một mẫu bảng sơ đồ.
Mẫu bảng sơ đồ là một bố cục tiêu chuẩn của bảng mạch bánh mì không hàn được sử dụng để thiết kế mạch điện tử.
Bố cục nên có cột linh kiện ở bên trái và cột đường ray điện ở bên phải.
Có một số điều cần lưu ý khi thiết kế mẫu bảng sơ đồ.
Trước tiên, bạn cần đảm bảo rằng các bộ phận được đặt đúng cách và nằm trong diện tích khuyến nghị của thanh ray điện.
Thứ hai, bạn cần đảm bảo rằng các bộ phận được cấp nguồn với điện áp thấp hơn.
Cuối cùng, bạn cần đảm bảo rằng mạch điện được bảo vệ khỏi bất kỳ điện áp cao nào có thể có.