Gli alimentatori nelle applicazioni mediche hanno requisiti e standard che vanno oltre ciò che è specificato per le applicazioni più mediocri. Tra questi figurano il maggiore isolamento tra la tensione di uscita e la messa a terra e l'alimentazione, nonché emissioni EMI/RFI inferiori. Si prevede che in futuro questi dispositivi utilizzeranno una quota crescente nel mercato globale degli alimentatori a causa dell'incremento della produzione di dispositivi medici portatili, più piccoli nell'Occidente, nonché del maggiore utilizzo di apparecchiature mediche di tutti i tipi in Asia.
La normativa che disciplina gli alimentatori medici a livello internazionale è IEC (International Electrotechnical Commission) 60601-1. Una suddivisione importante della normativa si basa sul punto di contatto dell'apparecchiatura con il paziente. Il tipo B (Body) è per le apparecchiature che funzionano semplicemente in prossimità del paziente. Il tipo BF (Body Floating) è per le apparecchiature che toccano un paziente. E il tipo CF (Cardio Floating) è per gli alimentatori intesi per le apparecchiature che possono entrare in contatto con il cuore.
Si osservi la parola "floating" nei tipi BF (Body Floating) e CF (Cardio Floating). Secondo la connotazione della parola, gli alimentatori medici che soddisfano questi standard, diversamente dalla maggior parte delle apparecchiature elettroniche, non sono dotati di messa a terra, ma "galleggiano" (floating) rispetto alla terra. Gli alimentatori medici osservano standard molto elevati di IEC 60601-1 per quanto riguarda le correnti di dispersione massime consentite, che rappresentano la corrente massima consentita, misurata in microampere, che potrebbe inavvertitamente attraversare il paziente fino alla terra.
Il compromesso più difficile negli alimentatori medici è rappresentato dalla corrente a bassa dispersione e dal filtraggio di EMI/RFI. Ecco perché i condensatori necessari per un filtro efficace tendono anche a consentire la dispersione di corrente. I progettisti hanno riscosso molto successo nel tentativo di risolvere questo dilemma utilizzando la commutazione a tensione zero (ZVS). Questa soluzione comporta il rallentamento dei tempi di salita e discesa degli impulsi ad alta frequenza intrinseci degli interruttori e ha l'effetto di ridurre l'EMI. In questo modo l'alimentatore richiede un filtraggio inferiore, abbassando la corrente di dispersione. Questa tecnica è impossibile da utilizzare con i loop di feedback analogico tradizionali un tempo così comuni nelle apparecchiature elettroniche. Gli alimentatori medici moderni usano controller digitali integrati, che possono essere programmati per l'implementazione di ZVS. Questi controller vengono inoltre impiegati per modificare la pulsazione in risposta alla corrente richiesta dal dispositivo medico e alle fluttuazioni nella rete elettrica CA.
Anche nel settore medico, alcuni tipi di situazioni richiedono una protezione maggiore dall'EMI rispetto ad altri. Ad esempio, nelle situazioni di diagnostica, l'apparecchiatura medica è spesso richiesta per registrare il più sottile dei cambiamenti nei segnali creati o riflessi dal corpo del paziente. In questi casi, anche una piccola interferenza elettromagnetica può schiacciare i sensori dell'apparecchiatura, rendendo necessario il miglior filtraggio possibile.
Gli alimentatori medici possono trovarsi all'interno delle unità che alimentano, montati su un circuito elettronico o sul telaio. Possono anche essere esterni e alcuni di questi sono di tipo Power over Ethernet (POE) e possono erogare l'alimentazione su cavi Ethernet, ovviando alla necessità di un cavo di alimentazione separato. Le unità possono essere specificate in modo da offrire una, due o più uscite di tensione diverse, a seconda delle esigenze del progettista.
MINT1045A2475K01 di SL Power Electronics è un esempio di un alimentatore CA-CC open-frame che fornisce 24 V CC a 1,9 A, ma occupa solo 5 x 7,5 cm ed è alto 2,5 cm. E fattore forse più importante per le applicazioni mediche critiche fornisce due livelli di protezione MOPP. Nella scheda dati per MINT1045A2475K01 è riportato che questa unità è un membro di una famiglia di prodotti simili che offre 12, 15, 28 o 48 V CC. Tutti i membri di questa serie forniscono un isolamento in entrata/uscita di 4.500 V CA e l'isolamento ingresso/messa a terra e uscita/messa terra è classificato a 1.900 V CA. Ciò che questi ultimi valori indicano è la quantità di tensione imprevista, esterna che le unità possono sostenere senza restituire un errore. Sia MINT1045A2475K01 sia i modelli a 12 V e 15 V sono classificati per correnti di dispersione di 30 microamp.
Poiché il design e la struttura degli alimentatori medici prevedono molti ostacoli specializzati e facilmente ignorati che normalmente non vengono rilevati anche dalla maggior parte dei progettisti di alimentatori, è meglio che della loro produzione se ne occupino gli specialisti. Gli ingegneri che non sono esperti dei problemi particolarmente esoterici interessati devono sempre evitare di tentare di risparmiare sui costi progettando loro stessi le fonti di alimentazione. Le conseguenze possono essere le prestazioni inferiori di un prodotto medico a causa di problemi di interferenza elettromagnetica e la possibilità molto reale di esporre i pazienti a pericoli e forse rischi di scosse letali.
Si osservi la parola "floating" nei tipi BF (Body Floating) e CF (Cardio Floating). Secondo la connotazione della parola, gli alimentatori medici che soddisfano questi standard, diversamente dalla maggior parte delle apparecchiature elettroniche, non sono dotati di messa a terra, ma "galleggiano" (floating) rispetto alla terra. Gli alimentatori medici osservano standard molto elevati di IEC 60601-1 per quanto riguarda le correnti di dispersione massime consentite, che rappresentano la corrente massima consentita, misurata in microampere, che potrebbe inavvertitamente attraversare il paziente fino alla terra.
Sono obbligatori più livelli di protezione
Lo standard IEC 60601-1 interessa inoltre l'applicazione di più livelli di sicurezza, o mezzi di protezione (MOP). Ciò significa che devono verificarsi più guasti nell'alimentatore affinché questo possa arrecare danni. Questi standard di applicazione della sicurezza sono divisi in mezzi di protezione dell'operatore (MOOP) e mezzi di protezione del paziente (MOPP). Poiché il paziente potrebbe essere meno sano dell'operatore e poiché le apparecchiature entrano in contatto più stretto con il paziente rispetto all'operatore, i requisiti MOPP sono più rigidi in confronto agli standard MOOP. Queste protezioni includono un isolamento robusto, requisiti per uno spazio fisico di grandi dimensioni (con la dispersione definita come lo spazio necessario tra due punti affinché possa essere considerato un MOP), nonché l'isolamento elettrico tra gli elementi della tensione di rete, la sezione ad alta tensione (ovvero tutti gli interruttori) e l'uscita CC dell'unità.Il compromesso più difficile negli alimentatori medici è rappresentato dalla corrente a bassa dispersione e dal filtraggio di EMI/RFI. Ecco perché i condensatori necessari per un filtro efficace tendono anche a consentire la dispersione di corrente. I progettisti hanno riscosso molto successo nel tentativo di risolvere questo dilemma utilizzando la commutazione a tensione zero (ZVS). Questa soluzione comporta il rallentamento dei tempi di salita e discesa degli impulsi ad alta frequenza intrinseci degli interruttori e ha l'effetto di ridurre l'EMI. In questo modo l'alimentatore richiede un filtraggio inferiore, abbassando la corrente di dispersione. Questa tecnica è impossibile da utilizzare con i loop di feedback analogico tradizionali un tempo così comuni nelle apparecchiature elettroniche. Gli alimentatori medici moderni usano controller digitali integrati, che possono essere programmati per l'implementazione di ZVS. Questi controller vengono inoltre impiegati per modificare la pulsazione in risposta alla corrente richiesta dal dispositivo medico e alle fluttuazioni nella rete elettrica CA.
Anche nel settore medico, alcuni tipi di situazioni richiedono una protezione maggiore dall'EMI rispetto ad altri. Ad esempio, nelle situazioni di diagnostica, l'apparecchiatura medica è spesso richiesta per registrare il più sottile dei cambiamenti nei segnali creati o riflessi dal corpo del paziente. In questi casi, anche una piccola interferenza elettromagnetica può schiacciare i sensori dell'apparecchiatura, rendendo necessario il miglior filtraggio possibile.
La corrente di dispersione è un parametro critico
Come in tutti gli alimentatori di commutazione, un componente centrale di un alimentatore medico è il trasformatore che trasmette la potenza della rete elettrica al resto dell'unità. Indipendentemente dalla solidità della struttura di un trasformatore, vi è una capacità parassita tra le due bobine, che rappresenta un'importante fonte della corrente di dispersione, che deve essere ridotta a tutti i costi a causa del rischio di elettrocuzione che comporta. Un modo comune, ma costoso di ridurre tale dispersione consiste nell'imporre un convertitore CC-CC extra in serie con il primo nella catena di alimentazione. Quindi la capacità efficace attraverso cui origina la corrente di dispersione è paragonabile al valore di due condensatori in serie, che è sempre inferiore ai singoli condensatori da soli. L'inclusione del convertitore CC-CC presenta l'ulteriore vantaggio di aggiungere un MOP extra. Come descritto in precedenza, i MOP sono fondamentali e sono necessari per la certificazione in base allo standard 60601-1.Gli alimentatori medici possono trovarsi all'interno delle unità che alimentano, montati su un circuito elettronico o sul telaio. Possono anche essere esterni e alcuni di questi sono di tipo Power over Ethernet (POE) e possono erogare l'alimentazione su cavi Ethernet, ovviando alla necessità di un cavo di alimentazione separato. Le unità possono essere specificate in modo da offrire una, due o più uscite di tensione diverse, a seconda delle esigenze del progettista.
MINT1045A2475K01 di SL Power Electronics è un esempio di un alimentatore CA-CC open-frame che fornisce 24 V CC a 1,9 A, ma occupa solo 5 x 7,5 cm ed è alto 2,5 cm. E fattore forse più importante per le applicazioni mediche critiche fornisce due livelli di protezione MOPP. Nella scheda dati per MINT1045A2475K01 è riportato che questa unità è un membro di una famiglia di prodotti simili che offre 12, 15, 28 o 48 V CC. Tutti i membri di questa serie forniscono un isolamento in entrata/uscita di 4.500 V CA e l'isolamento ingresso/messa a terra e uscita/messa terra è classificato a 1.900 V CA. Ciò che questi ultimi valori indicano è la quantità di tensione imprevista, esterna che le unità possono sostenere senza restituire un errore. Sia MINT1045A2475K01 sia i modelli a 12 V e 15 V sono classificati per correnti di dispersione di 30 microamp.
Poiché il design e la struttura degli alimentatori medici prevedono molti ostacoli specializzati e facilmente ignorati che normalmente non vengono rilevati anche dalla maggior parte dei progettisti di alimentatori, è meglio che della loro produzione se ne occupino gli specialisti. Gli ingegneri che non sono esperti dei problemi particolarmente esoterici interessati devono sempre evitare di tentare di risparmiare sui costi progettando loro stessi le fonti di alimentazione. Le conseguenze possono essere le prestazioni inferiori di un prodotto medico a causa di problemi di interferenza elettromagnetica e la possibilità molto reale di esporre i pazienti a pericoli e forse rischi di scosse letali.