Ochrona urządzeń medycznych, użytkowników i pacjentów - dobór i zastosowanie właściwych komponentów

Wykorzystanie nielaboratoryjnych, wchodzących w kontakt z pacjentem medycznych urządzeń do diagnostyki oraz podtrzymujących funkcje życiowe, takich jak respiratory, defibrylatory, skanery ultrasonograficzne i elektrokardiogramy (EKG), stale rośnie. Powodów tej sytuacji należy szukać w starzeniu się populacji, wzroście oczekiwań pacjentów wobec opieki medycznej oraz postępie w obszarze elektronicznych technologii medycznych, czyniących takie systemy bardziej osadzonymi w praktyce. Wspomniany sprzęt wymaga ochrony przed wieloma rodzajami problemów elektrycznych, mogących skutkować zarówno uszkodzeniem urządzenia, jak i obrażeniami ciała personelu oraz pacjentów.

Pełna ochrona obwodów wymaga jednak działań znacznie szerszych niż tylko zastosowanie bezpiecznika termicznego, a jej wdrożenie nie jest kwestią znalezienia jednego, najlepszego urządzenia dla konkretnej konstrukcji i zastosowania. Chodzi raczej o to, aby ustalić, które obwody wymagają ochrony, a następnie określić najlepszy sposób jej zapewnienia. Ogólnie rzecz biorąc, zapewnienie ochrony wymaga wielu elementów biernych, a w przypadku typowego systemu koniecznych może okazać się kilkanaście lub więcej specjalistycznych urządzeń ochronnych tego typu. Urządzenia ochronne są jak ubezpieczenia: być może będą potrzebne rzadko albo nawet nigdy, ale koszt ich braku znacznie przewyższy koszt ich posiadania.

Tematem artykułu są miejsca wymagające zastosowania ochrony w systemach medycznych, w tym wejścia-wyjścia sygnałów i czujników po stronie pacjenta, zasilacze, porty komunikacyjne, rdzenie przetwarzania danych oraz interfejsy użytkownika. Artykuł omawia również różne typy komponentów chroniących obwody i systemy oraz bada funkcję i zastosowanie każdego z nich na przykładach urządzeń firmy Littelfuse, Inc.

Rola zabezpieczeń w systemach medycznych

Słysząc wyrażenie „ochrona obwodów”, większość inżynierów myśli o stosowanym od ponad 150 lat klasycznym bezpieczniku termicznym. Swoją dzisiejszą formę zawdzięcza on w dużej mierze Edwardowi V. Sundtowi, który w 1927 r. opatentował pierwszy mały, szybki bezpiecznik topikowy, mający chronić czułe przyrządy pomiarowe przed przepalaniem (odsyłacz 1). Z czasem z jego przedsiębiorstwa wyłoniła się firma Littelfuse, Inc.

Od tamtej pory opcje ochrony obwodów uległy znacznemu rozwojowi, wynikającemu z wielości potencjalnych usterek obwodów. Mogą to być na przykład:

• usterki wewnętrzne wywołujące usterki kaskadowe innych komponentów
• usterki wewnętrzne mogące stanowić zagrożenie dla operatora lub pacjenta
• wewnętrzne problemy eksploatacyjne (związane z napięciem/prądem/temperaturą), które mogą skutkować obciążeniem pozostałych komponentów i prowadzić do ich przedwczesnych uszkodzeń
• stany nieustalone i skoki napięcia/prądu będące zjawiskami z natury i nierozerwalnie związanymi z działaniem obwodu, a którymi należy starannie zarządzać

Wiele z wymienionych zagadnień dotyczy nie tylko jednostek zasilanych prądem zmiennym, ale także tych z zasilaniem bateryjnym.

Funkcją wielu - lecz nie wszystkich - urządzeń ochronnych, jest tłumienie zbyt wysokich stanów nieustalonych napięcia. Istnieją dwie główne kategorie ograniczników stanów nieustalonych: te, które tłumią stany nieustalone, zapobiegając w ten sposób ich przenikaniu do wrażliwego obwodu; oraz te, które przekierowując stany nieustalone od obciążeń wrażliwych, ograniczają pozostałe napięcie. Kwestią niezwykle istotną jest dokładna analiza arkuszy danych urządzeń pod kątem krzywych termicznych i krzywych obniżenia parametrów znamionowych, ponieważ niektóre z nich opracowano pod kątem ochrony przed stanami nieustalonymi o różnym czasie trwania, ograniczonym przez określone wartości napięcia, prądu i czasu, a nie dla ochrony w stanie ustalonym.

Napięcie progowe, prąd maksymalny, napięcie przebicia, maksymalne wsteczne napięcie robocze lub wsteczne napięcie zaporowe, prąd szczytowy impulsu, rezystancja dynamiczna i pojemność to niektóre z wielu parametrów elektrycznych, które należy wziąć pod uwagę. Istotne jest również zrozumienie warunków, w jakich każdy z tych parametrów został zdefiniowany i określony. Należy uwzględnić również wielkość urządzenia oraz liczbę chronionych kanałów lub linii. Wybór urządzenia ochronnego najlepszego do zastosowania w danej części obwodu jest funkcją tych czynników, a często zachodzi również konieczność znalezienia nieuniknionego kompromisu pomiędzy poszczególnymi parametrami. Z pewnością do dyspozycji będą podejścia preferowane lub „standardowe”, ale pojawią się również opcje, które trzeba będzie przeanalizować, ocenić i wybrać.

Istnieje wiele możliwości ochrony obwodów - wybierz mądrze

Istnieje wiele opcji ochrony. Każda z nich charakteryzuje się unikalnymi funkcjami i zestawem właściwości sprawiającymi, że jest odpowiednim - albo jedynym - wyborem w zakresie wdrożenia ochrony przed określonymi klasami usterek lub nieuniknionymi charakterystykami obwodów. Główne opcje ochrony to:

• Tradycyjny bezpiecznik termiczny
• Polimerowe urządzenia o dodatnim współczynniku temperaturowym (PPTC)
• Warystory metalowo-tlenkowe (MOV)
• Warystory wielowarstwowe (MLV)
• Diody ograniczające przepięcia (TVS)
• Układy diod
• Przekaźniki półprzewodnikowe (SSR)
• Wskaźniki temperatury
• Iskierniki gazowe (GDT)

Zasada działania bezpiecznika termicznego jest prosta. Wykorzystuje on przewodzące połączenie topliwe o ściśle określonych wymiarach, wykonane ze starannie dobranych metali. Przepływ prądu o wartości przekraczającej przewidzianą powoduje nagrzewanie się i topienie połączenia, a tym samym trwałe przerwanie drogi przepływu prądu. W zależności od wartości przetężenia w stosunku do znamionowej wartości granicznej czas otwarcia obwodu dla standardowych bezpieczników wynosi od kilkuset milisekund do kilku sekund. W wielu konstrukcjach są one ostatnią linią ochrony, ponieważ działają w sposób zdecydowany i ostateczny.

Bezpieczniki są dostępne dla wartości prądu od poniżej jednego ampera do setek amperów lub wyższych i mogą być zaprojektowane tak, aby wytrzymywać setki lub tysiące woltów panujące na ich dwóch zaciskach po otwarciu obwodu w wyniku usterki.

Typowym bezpiecznikiem topikowym jest Littelfuse 0215.250TXP, bezpiecznik o amperażu 250mA, napięciu 250V_~), w obudowie ceramicznej o wymiarach 5 x 20mm (ilustracja 1). Jak w przypadku większości bezpieczników, jest to obudowa cylindryczna lub kartridżowa, której nie wlutowuje się do obwodu, ale zamiast tego umieszcza w ułatwiającym jego wymianę uchwycie bezpiecznika. Bezpieczniki są dostępne również w obudowach prostokątnych i „nożowych” oraz w obudowach umożliwiających wlutowanie, konieczne jest jednak ścisłe przestrzeganie profilu lutowania, aby uniknąć uszkodzenia elementu bezpiecznikowego.

Ilustracja 1: bezpiecznik topikowy 0215.250TXP firmy Littelfuse o amperażu 250mA, napięciu 250V_~, w obudowie ceramicznej o średnicy 5mm i długości 20mm. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

Pomimo swojej pozornej prostoty bezpieczniki topikowe występują w wielu odmianach i nieznacznie różnią się między sobą, co obok innych czynników należy brać pod uwagę podczas doboru bezpiecznika odpowiedniego dla danego obwodu (odsyłacze 2 i 3). Bezpieczniki są powszechnie stosowane na liniach wejściowych prądu zmiennego, na odprowadzeniach, gdzie może wystąpić całkowite zwarcie, lub wewnątrz urządzeń, gdzie każde przetężenie stanowi problem tak poważny, że przepływ prądu musi zostać całkowicie przerwany, a przed wznowieniem pracy należy znaleźć i usunąć źródło problemu.

Urządzenia PPTC wykorzystywane są w dwóch głównych dziedzinach: w celu spełniania wymogów przepisów bezpieczeństwa,, np. dla portu USB, zasilania, akumulatora lub sterowania silnikiem; oraz do zapobiegania ryzyka w odniesieniu do portów wejścia-wyjścia. W nietypowych warunkach, takich jak przetężenie, przeciążenie lub nadmierna temperatura, znacznie wzrasta rezystancja PPTC, a prąd zasilania ulega ograniczeniu w celu ochrony elementów obwodu.

Gdy urządzenie PPTC przejdzie w stan wysokiej rezystancji, nadal przepływa przez nie niewielka ilość prądu. Urządzenia PPTC wymagają ogrzewania niskoenergetycznym prądem „upływu” lub z zewnętrznego źródła ciepła w celu utrzymania ich w stanie zadziałania. Źródło ciepła jest eliminowane po usunięciu stanu usterki oraz wyłączeniu i ponownym włączeniu zasilania. Urządzenie może wówczas powrócić do stanu niskiej rezystancji, a obwód wraca do stanu normalnej pracy. Chociaż urządzenia PPTC są czasami określane jako „bezpieczniki resetowalne”, to w rzeczywistości nie są one bezpiecznikami, a nieliniowymi termistorami ograniczającymi prąd. Ponieważ wszystkie urządzenia PPTC w stanie usterki przechodzą w stan wysokiej rezystancji, normalna praca może powodować utrzymywanie się niebezpiecznego napięcia w częściach obwodu.

Dobrym przykładem jest urządzenie PPTC 2016L100/33DR firmy Littelfuse, przeznaczone do montażu powierzchniowego , o napięciu 33V i prądzie 1,1A do zastosowań niskonapięciowych (≤60V), w sytuacjach, gdzie konieczna jest ochrona z możliwością resetu (ilustracja 2). Zajmuje ono powierzchnię o wymiarach 4 x 5mm i działa w czasie krótszym niż 0,5s, przy przetężeniu 8A.

Ilustracja 2: urządzenie PPTC 2016L100/33DR 33V, 1,1A do zastosowań niskonapięciowych, gdzie konieczna jest ochrona z możliwością resetu; czas reakcji krótszy niż 0,5s, przy przetężeniu 8A. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

W typowym respiratorze urządzenie 2016L100/33DR może służyć do ochrony tranzystora MOSFET systemu zarządzania bateriami przed wysokimi prądami spowodowanymi zwarciami zewnętrznymi lub do zabezpieczenia nadprądowego chipsetów USB (ilustracja 3).

Ilustracja 3: na tym schemacie blokowym respiratora urządzenia PPTC mogą zostać użyte zarówno w systemie zarządzania bateriami, jak i w sekcjach portów USB (obszary 2 i 5). (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

Tlenkowe ochronniki przepięciowe (MOV) to urządzenia o charakterystyce nieliniowej zależnej od napięcia podobnej do charakterystyki diod Zenera połączonych przeciwsobnie. Ich symetryczna i ostra charakterystyka przebicia pozwala im doskonale tłumić stany nieustalone.

W przypadku wystąpienia stanu nieustalonego wysokiego napięcia, impedancja warystora ulega zmniejszeniu o wiele rzędów wielkości od obwodu bliskiego otwarciu do poziomu wysokiej przewodności, dzięki czemu napięcie nieustalone zostaje w ciągu kilku milisekund obniżone do poziomu bezpiecznego (ilustracja 4).

Ilustracja 4: charakterystyka napięciowo-prądowa (V-I) urządzenia MOV przedstawia zarówno obszar jego normalnej wysokiej rezystancji, jak i obszar bardzo niskiej impedancji pojawiający się, gdy wartość napięcia przekroczy projektową wartość progową. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

Wskutek takiego zamknięcia warystor pochłania potencjalnie groźną energię impulsu nieustalonego (ilustracja 5).

Ilustracja 5: gwałtowne przełączenie urządzenia MOV z impedancji wysokiej na niską w przypadku wystąpienia nieustalonego napięcia obniża je do akceptowalnego poziomu. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

Urządzenia MOV są oferowane w różnych obudowach. Na przykład urządzenie V07E250PL2T390V, 1,75kA ma postać niewielkiego dysku o średnicy zaledwie 7mm z przewlekanymi przewodami (ilustracja 6). Często są one używane na liniach wejściowych prądu zmiennego w celu zapobieżenia uszkodzeniom spowodowanym przez stany nieustalone linii (obszar 1 na ilustracji 3). Należy zauważyć, że urządzenia MOV można łączyć równolegle w celu zwiększenia obsługiwanego prądu szczytowego i energii, jak również szeregowo, aby zapewnić wyższe wartości znamionowe napięcia niż normalnie dostępne lub wartości pomiędzy propozycjami standardowymi.

Ilustracja 6: tlenkowy ochronnik przepięciowy (MOV) V07E250PL2T ma postać dysku o średnicy 7mm z przewlekanymi przewodami i przeznaczony jest do pracy z napięciami do 390V i wytrzymuje stany nieustalone do 1750A. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

Urządzenia MLV są podobne do urządzeń MOV i spełniają tę samą funkcję podstawową, ale ich konstrukcja wewnętrzna jest inna, a co za tym idzie, mają one nieco inne własności. Urządzenia MLV są wytwarzane metodą drukowania na mokro warstw tlenku cynku (ZnO) oraz metalicznych elektrod wewnętrznych, spiekania, mocowania zacisków, szklenia i wreszcie powlekania. Ogólnie rzecz biorąc, przy tej samej wartości znamionowej napięcia jak w urządzeniach MOV, mniejsze elementy MLV mają wyższe napięcie progowe przy wyższych wartościach prądu, podczas gdy elementy większe mają wyższą pojemność energetyczną.

Na przykład urządzenie MLV V12MLA0805LNH przetestowano za pomocą wielu impulsów przy jego szczytowej wartości prądu (3A, 8/20µs). Pod koniec testu, po 10 tysiącach impulsów, charakterystyka napięciowa urządzenia nadal pozostawała w granicach specyfikacji (ilustracja 7). Urządzenie to należy rozważać jako ochronę przed stanami nieustalonymi w zasilaczu respiratora i porcie USB (obszary 1 i 5 na ilustracji 3).

Ilustracja 7: urządzenie MLV takie jak V12MLA0805LNH wytrzymuje wielokrotne impulsy stanów nieustalonych bez pogorszenia sprawności. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

Diody TVS również chronią wrażliwe układy elektroniczne przed stanami nieustalonymi wysokiego napięcia i mogą reagować na zdarzenia nadnapięciowe w czasie krótszym niż większość innych typów urządzeń chroniących obwody. Dzięki wykorzystaniu złącza p-n o przekroju poprzecznym większym niż zwykła dioda, stabilizują one i w ten sposób ograniczają napięcie do określonego poziomu. Dzięki temu dioda TVS może przewodzić duże prądy do masy, nie ulegając uszkodzeniu.

Diody TVS zazwyczaj są stosowane do ochrony przed przeciążeniem elektrycznym, wywołanym np. uderzeniem pioruna, łączeniem obciążenia indukcyjnego oraz wyładowaniem elektrostatycznym (ESD) związanym z liniami przesyłu lub danych oraz układami elektronicznymi. Reagują one w czasie rzędu nanosekund i pozwalają chronić stosunkowo wrażliwe interfejsy wejścia-wyjścia stosowane w wyrobach medycznych, urządzeniach telekomunikacyjnych i przemysłowych, komputerach oraz elektronice użytkowej. Charakteryzują się one określoną zależnością pomiędzy napięciem stanu nieustalonego i napięciem na diodzie TVS oraz prądem przez nią płynącym, przy czym specyfika jest zależna od danego modelu diody TVS (ilustracja 8).

Ilustracja 8: ogólna zależność pomiędzy stanami nieustalonymi napięcia, napięciem na diodzie TVS oraz płynącym przez nią prądem, gdzie konkretne wartości zależne są od wybranego modelu diody TVS. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

SMCJ33A jest jednokierunkową diodą TVS o napięciu progowym 53V i szczytowej wartości prądu 28A w obudowie SMT 5,6 x 6,6mm. Dostępna jest również wersja dwukierunkowa (sufiks B) mająca zastosowanie, gdy przewidywane jest występowanie zarówno dodatnich, jak i ujemnych stanów nieustalonych. W zastosowaniu reprezentatywnym, takim jak przenośny skaner ultradźwiękowy z generatorem impulsów wysokiego napięcia do zasilania przetworników piezoelektrycznych, diody TVS można wykorzystać do zabezpieczenia portów USB oraz wyświetlacza LCD/LED interfejsu użytkownika (obszary 2 i 3 na ilustracji 9).

Ilustracja 9: na przedstawionym schemacie blokowym przenośnego skanera ultradźwiękowego dioda TVS, taka jak np. SMCJ33A o wartości napięcia progowego 53V może zostać zastosowana do ochrony portów USB oraz wyświetlacza LCD/LED (obszary 2 i 3) przed stanami nieustalonymi. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

W układach diod stosowane są diody sterujące przepływem prądu skupione wokół dużej diody TVS (np. diody Zenera), w celu zmniejszenia pojemności z punktu widzenia linii wejścia-wyjścia. Urządzenia te w stanie wyłączenia mają niską pojemność wynoszącą od 0,3 do 5pF i są odpowiednie dla poziomów wyładowań elektrostatycznych (ESD) od +/18kV do +/-30kV. Obszar zastosowań obejmuje między innymi ochronę interfejsów USB 2.0, USB 3.0, HDMI, eSATA oraz Display Port. Należy zauważyć, że układ diod TVS o podobnej nazwie realizuje te same funkcje podstawowe, ale charakteryzuje się większą pojemnością i dlatego jest bardziej odpowiedni do interfejsów o niższej prędkości.

Przykładem takiego układu diod jest SP3019-04HTG (ilustracja 10). Integruje on cztery kanały asymetrycznego zabezpieczenia przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) o ultraniskiej pojemności (0,3pF) w sześcioodprowadzeniowej obudowie SOT23, charakteryzuje się również wyjątkowo niską wartością typowego prądu upływu wynoszącą 10nA przy napięciu 5V. Podobnie jak w przypadku diody TVS, jego typowe zastosowania obejmują ochronę portów USB oraz wyświetlacza LCD/LED interfejsu użytkownika (ponownie, obszary 2 i 3 na ilustracji 9).

Ilustracja 10: przykładowy układ diod SP3019-04HTG zapewnia ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) wielu szybkich linii wejścia-wyjścia. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

Przekaźniki półprzewodnikowe (SSR), zwane również optoizolatorami, pozwalają jednemu napięciu na przełączanie niepowiązanego, niezależnego napięcia i sterowanie nim, przy zachowaniu niemal doskonałej izolacji galwanicznej (bez ścieżki rezystancyjnej) pomiędzy wejściem a wyjściem. Mają one wiele szerokich zastosowań. Może to być zastosowanie funkcjonalne: urządzenia te mogą eliminować pętle uziemienia pomiędzy rozdzielonymi obwodami podrzędnymi lub pozwalać znajdującym się po stronie wysokiej sterownikom konfiguracji półmostkowej lub H tranzystora MOSFET „pływać” niezależnie od masy. Kolejny cel ich stosowania związany z bezpieczeństwem jest szczególnie istotny dla urządzeń medycznych, ponieważ realizowana przez nie izolacja stanowi nieprzekraczalną barierę. Odizolowanie takie jest konieczne w sytuacji występowania wysokich napięć wewnętrznych i jednoczesnego kontaktu użytkownika lub pacjenta z odprowadzeniami, pokrętłami, sondami i obudowami.

CPC1017NTR jest przykładem podstawowego jednobiegunowego, zwiernego przekaźnika półprzewodnikowego (SSR) (1-Form A). Umieszczony jest on w niewielkiej obudowie czteroodprowadzeniowej o powierzchni 4mm², zapewniającej izolację 1500V_RMS pomiędzy wejściem i wyjściem. Jest niezwykle wydajny, do działania wymaga zaledwie 1mA prądu LED, może przełączać 100mA/60V i zapewnia bezłukowe przełączanie bez potrzeby stosowania zewnętrznych obwodów snubbingowych. Ponadto nie generuje on zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) ani radiowych (RFI), jest odporny na działanie pola elektromagnetycznego promieniowanego z zewnątrz. Są to cechy niezbędne w przypadku niektórych instrumentów i systemów medycznych. W przypadku zastosowania na przykład w defibrylatorze, projektanci mogą wykorzystać go do elektrycznej separacji obwodów niskiego napięcia od wysokich napięć mostka zasilającego elektrody urządzenia (ilustracja 11).

Ilustracja 11: przekaźnik półprzewodnikowy (SSR) w defibrylatorze umożliwia elektronice niskonapięciowej sterowanie elektrodami wysokonapięciowymi, jednocześnie pozwalając „pływającym” sterownikom górnym układu mostka H pozostać odizolowanymi od masy systemu (obszar 5). (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

Wskaźniki temperatury to wyspecjalizowane wersje czujników temperatury takich jak termistory. Potrzeba monitorowania miejsc, gdzie mogą występować wysokie temperatury , takich jak zasilacze czy źródła wyższych napięć może wydawać się oczywista, jednak nawet w portach wejścia/wyjścia takich jak USB Type-C mogą płynąć znaczne prądy, powodując przegrzanie. Przyczyną takiej sytuacji może być usterka wewnętrzna czy nawet uszkodzony odbiornik lub zwarcie podłączonego do niego przewodu.

Rozwiązaniem pomagającym chronić wtyczki USB Type-C przed przegrzaniem mogą być na przykład wskaźniki temperatury o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) SETP0805-100-SE setP. Wskaźnik został zaprojektowany tak, aby spełniał unikatowe specyfikacje wspomnianego standardu USB i może pomóc w ochronie nawet najwyższych poziomów zasilania USB Type-C. Dostępny w obudowie 0805 (2,0 x 1,2mm), chroni systemy pobierające 100W lub więcej, zapewniając czułe i niezawodne wskazania temperatury w miarę wzrostu jego rezystancji z nominalnych 12Ω w temperaturze 25⁰C do 35kΩ w 100⁰C (wartości typowe).

Iskierniki gazowe GDT mogą kojarzyć się inżynierom z wielkimi, nieporęcznymi rurami z widocznym iskrzeniem, ale w rzeczywistości wyglądają one zupełnie inaczej. Rurki te umieszcza się między chronioną linią lub żyłą - zazwyczaj jest to linia zasilająca prądu zmiennego lub inna „odsłonięta” żyła - a masą systemu w celu zapewnienia prawie idealnego mechanizmu przekierowania wyższych nadnapięć do masy.

W normalnych warunkach roboczych gaz wewnątrz urządzenia działa jak izolator, a iskiernik GDT nie przewodzi prądu. W przypadku wystąpienia stanu nadnapięcia (zwanego napięciem przeskoku iskry), gaz wewnątrz rurki ulega rozpadowi i przewodzi prąd. Gdy stan nadnapięcia przekroczy wartość parametrów napięcia przeskoku iskry, iskiernik GDT włącza się i następuje w nim wyładowanie, przekierowując niebezpieczną energię. Iskierniki gazowe (GDT) dostępne są jako urządzenia dwubiegunowe dla linii nieuziemionych oraz trójbiegunowe dla linii uziemionych. Obie opcje umieszczane są w małych obudowach SMT ułatwiających zarówno projektowanie, jak i montaż na płytkach drukowanych (ilustracja 12).

Ilustracja 12: iskierniki gazowe (GDT) dostępne są jako urządzenia dwubiegunowe dla linii nieuziemionych (po lewej) oraz trójbiegunowe dla linii uziemionych (po prawej) (symbolem iskiernika GDT jest znak w kształcie litery „Z” po prawej stronie każdego schematu). (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

Iskierniki gazowe (GDT) są dostępne dla napięć przeskoku iskry od 75V woltów wzwyż i obsługują prądy o natężeniach setek, a nawet tysięcy amperów. Na przykład GTCS23-750M-R01-2 jest dwubiegunowym iskiernikiem gazowym (GDT) o napięciu przeskoku iskry wynoszącym 75V i prądzie znamionowym 1kA, umieszczonym w obudowie SMT o długości 4,5mm i średnicy 3mm, co pozwala na umieszczenie tego zabezpieczenia praktycznie wszędzie (ilustracja 13).

Ilustracja 13: iskierniki gazowe (GDT) nie muszą wyglądać jak znane z filmów duże urządzenia z przerwą iskrową. GTCS23-750M-R01-2 jest iskiernikiem GDT o parametrach 75V, 1 kA, zamkniętym w obudowie SMT o długości zaledwie 4,5mm i średnicy 3mm. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Inc.)

Normy jako wytyczne projektowania

Wyroby medyczne muszą spełniać wymagania wielu norm bezpieczeństwa, z których część dotyczy wszystkich produktów konsumenckich i komercyjnych, a część wyłącznie wyrobów medycznych. Wiele z tych norm jest normami międzynarodowymi. Wśród wielu norm i wymogów regulacyjnych znajdują się:

• IEC 60601-1-2, „Medyczne urządzenia elektryczne - Część 1-2: Wymagania ogólne dotyczące bezpieczeństwa podstawowego oraz funkcjonowania zasadniczego - Norma uzupełniająca: Zakłócenia elektromagnetyczne - Wymagania i badania.”
• IEC 60601-1-11, „Medyczne urządzenia elektryczne - Część 1-11: Wymagania ogólne dotyczące bezpieczeństwa podstawowego oraz funkcjonowania zasadniczego - Norma uzupełniająca: Wymagania dotyczące medycznych urządzeń elektrycznych i medycznych systemów elektrycznych stosowanych w środowisku domowej opieki medycznej.”
• IEC 62311-2, „Ocena urządzeń elektronicznych i elektrycznych w odniesieniu do ograniczeń ekspozycji ludzi w polach elektromagnetycznych (od 0Hz do 300GHz).”
• IEC 62133-2, „Ogniwa i baterie wtórne zawierające zasadowe lub inne niekwasowe elektrolity - Wymagania bezpieczeństwa dla przenośnych ogniw wtórnych oraz baterii z nich wykonanych do użytkowania w zastosowaniach przenośnych - Część 2: Systemy litowe,”

Staranność w doborze urządzeń ochrony obwodów i ich zastosowaniu pozwala w wysokim stopniu spełnić wymagania wymienionych przepisów bezpieczeństwa. Stosowanie uznanych, sprawdzonych technologii i komponentów również może przyspieszyć proces dopuszczenia.

Podsumowanie

Wymagania dotyczące miejsca, powodu, rodzaju i sposobu realizacji ochrony, zarówno w ujęciu ogólnym, a w urządzeniach medycznych w szczególności, stanowią złożone wyzwanie projektowe. Istnieje wiele odpowiednich komponentów ochronnych, z których część jest specyficzna dla danej funkcji obwodu, część natomiast ma zastosowanie bardziej ogólne. Każdy komponent posiada zestaw cech sprawiających, że będzie on najlepszym wyborem - a przynajmniej lepszym od pozostałych - do zastosowania w różnych lokalizacjach obwodów i systemów wymagających takiej ochrony. Nie istnieje jedno urządzenie będące w stanie spełnić różne wymagania systemowe, dlatego projektanci będą musieli stosować wiele różnych podejść do kwestii ochrony.

W większości przypadków wiele decyzji dotyczących wyboru urządzenia oraz jego możliwie najlepszego zastosowania jest skomplikowanych z natury i również podlega przeglądowi prowadzonemu przez organy regulacyjne. Projektanci zdecydowanie powinni rozważyć konsultacje z kompetentnymi inżynierami ds. zastosowań sprzedawcy urządzeń ochronnych lub jego autoryzowanego dostawcy (dystrybutora). Ich doświadczenie i specjalistyczna wiedza mogą pomóc w skróceniu czasu wprowadzenia wyrobu na rynek, zapewnić większą kompleksowość projektu i uprościć drogę do oficjalnego zatwierdzenia przez organy regulacyjne.