醫用24V直流穩壓電源呼吸機轉換開(kāi)關(guān)的設計與應用

醫用呼吸機通常使用24 V直流穩壓電源，當交流電網(wǎng)掉電時(shí)，醫用呼吸機無(wú)直流電源供給，從而造成呼吸機無(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(cháng)提供給負載的電源，也只能保持30分鐘左右，這對正在使用呼吸機的病人來(lái)說(shuō)是遠遠不夠的。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用。為了解決這一問(wèn)題，有必要設計一種應用于呼吸機的廉價(jià)、不間斷電源。通過(guò)設計一種轉換開(kāi)關(guān)，當電網(wǎng)長(cháng)時(shí)間掉電的情況下，自動(dòng)轉換為蓄電池供電，把蓄電池中的直流能量轉換成一種能長(cháng)時(shí)間不間斷提供的直流穩壓電源來(lái)供給呼吸機正常工作，從而達到以低廉的成本就能維持病人生命的目的。

1 總體設計

平時(shí)呼吸機由市電驅動(dòng)工作，在交流電網(wǎng)斷電時(shí)，比較器電路自動(dòng)檢測到斷電直流壓降，輸出一個(gè)低電平信號，在設定的時(shí)間內，經(jīng)過(guò)一級延時(shí)、自鎖器、二級延時(shí)電路送給驅動(dòng)器，驅動(dòng)器執行開(kāi)關(guān)轉換動(dòng)作，將呼吸機轉為由電池組1供電;當電池組1長(cháng)時(shí)間工作，電壓降至預定值時(shí)，比較器電路檢測到預定值壓降，輸出一個(gè)低電平信號，在設定的時(shí)間內，經(jīng)過(guò)一級延時(shí)、自鎖器、二級延時(shí)電路送給驅動(dòng)器，驅動(dòng)器執行開(kāi)關(guān)轉換動(dòng)作，將呼吸機工作于電池1轉為由電池組2供電;這樣可以保證呼吸機在交流電網(wǎng)斷電后有較長(cháng)的工作時(shí)間。

這一工作方案總體設計由圖1系統框圖所示。它由比較器、一級延時(shí)、自鎖器、二級延時(shí)、驅動(dòng)器、呼吸機、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組獨立的精密電壓比較器組成，具有低失調電壓的特點(diǎn)。它特地為在較大的電壓范圍內單電源工作而設計，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芯片內由4個(gè)比較器組成，每個(gè)比較器由一對同相輸入端Q1和反相輸入端Q4和一個(gè)輸出端Q8組成;由圖中可見(jiàn)，LM339輸出是發(fā)射極接地NPN晶體管的集電極開(kāi)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動(dòng)量和β的影響。達到最大限制電流(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

設電容在某瞬間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，由此而引起的響應定義為電路的零狀態(tài)響應。因此，零狀態(tài)響應是僅僅由于輸入所引起的。零狀態(tài)響應與輸入有關(guān)。在恒定輸入直流電源作用下，電路內的物理過(guò)程實(shí)質(zhì)上是電容動(dòng)態(tài)元件的儲能從無(wú)到有的增長(cháng)過(guò)程。因此，對RC電路來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)電容儲能的增長(cháng)，電容電壓uc(t)也按指數規律在增長(cháng)。即

其中uc(∞)為電容電壓的穩態(tài)值(t=∞時(shí)的數值)，τ=RC。在t=∞時(shí)，電容相當于開(kāi)路，可由此算出uc(∞)，它與輸入電源有關(guān)。當uc(t)、uc(∞)、τ=RC確定時(shí)，就可以確定電容充電的時(shí)間長(cháng)短。兩邊取對數，得

3 電路設計

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組成參數穩壓器，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)調節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