Danas je nabavljen medicinski monitor vitalnih funkcija pacijenta Diascope NT Type 3050, proizvod danske tvrtke S&W iz 1990-tih godina.
Tvrtka S&W (Simonsen & Weel A/S) osnovana je davne 1817. godine te je i danas prisutna na tržištu. Bavi se prodajom široke palete proizvoda međunarodnih proizvođača medicinske opreme, a razvila je i vlastitu robnu marku ESWELL pod kojom prodaje specijalne medicinske madrace i jastuke.
Naš primjerak monitora Diascope NT Type 3050 nabavljen je sa dvije sonde (EKG i SpO2) no ne pokazuje nikakve znakove života. Zato je najbolje za početak prvo rastaviti ovaj naš uređaj, vidjeti od čega je sastavljen te pokušati izvršiti popravak.
Vidimo da se uređaj sastoji od nekoliko modula:
- mrežni ispravljač 220/12 V
- baterija 12 V
- pretvarač napona 12 V na druge napone potrebne za pogon sklopovlja
- sklopovi za pogon CRT monitora (VN za katodnu cijev te horizontalni i vertikalni otklonski sklopovi)
- matična ploča sa napajačkim modulom, pneumatskim sklopovima (pumpa i ventili) za mjerenje krvnog tlaka, tri mjerna modula (od mogućih šest) signala iz vanjskih sondi (ECG, Press1, Temp1), mjerni modul za SpO2 (pulsna oksimetrija)
- procesorska ploča sa memorijom i grafičkim sustavom te tlačnim pretvornicima
- konektorska ploča za povezivanje matične i procesorske ploče
Očekivano greška je locirana na pločici mrežnog ispravljača 220/12V gdje ovaj napon nije prisutan na vanjskim stezaljkama. Radi se o prekidačkom napajanju specijalno dizajniranom za medicinske uređaje nominalnog napona 12 V i maksimalne struje 7A sa pasivnim hladnjakom, odnosno do najviše 9A sa aktivnim hlađenjem.
Prekidačka napajanja (popularno: svičerska napajanja od engl. SMPS – switched-mode power supply) su nešto složenije konstrukcije od klasičnih transformatorskih napajanja, a na blok shemi su prikazani osnovni sklopovi koje sadrži naše napajanje. U zadnje vrijeme (razvojem jeftinih elektroničkih komponenti) prekidačka napajanja su postala vrlo popularna jer se za usporedbu s klasičnim ispravljačima sada uz puno manje transformatore i time puno manje ukupne gabarite, a isto tako i puno manju cijenu može izraditi napajanje ili ispravljač iste snage.
Ono što ćemo naći kod svakog SMPS napajanja to su dobri ulazni filtri za potiskivanje mrežnog šuma. Oni imaju dvojaku ulogu: s jedne strane štite komponente u primarnom dijelu prekidačkog sklopa od mogućih prenaponskih pikova koji dolaze sa mreže (obično kao rezultat prekidanja induktivnih trošila na mreži bez ugrađenih filtera), a s druge strane služe za potiskivanje šuma koje sam prekidački sklop uzrokuje svojim radom, odnosno za sprječavanje superponiranja frekvencija na kojima radi primarni prekidački sklop natrag u mrežnu liniju (obično su to frekvencije u opsegu 3-300 kHz). SMPS mrežni filtri gotovo uvijek sadrže strujno kompenzirajuće zavojnice. To su dvije identične zavojnice namotane na jezgru visoke permeabilnosti i izgledaju poput manjeg transformatora, a u kombinaciji s njima nalaze se i kondenzatori koji opet potiskuju šum koji stvaraju kompenzirajuće zavojnice ali i ukupni šum u mrežnoj liniji. Stoga ako imate neko potpuno uništeno SMPS napajanje uvijek se iz njega može iskoristiti barem mrežni filtar koji onda dobro dođe za svaki uređaj koji radi na mrežno napajanje.
Nakom mrežnog filtra slijedi ispravljač napona koji je gotovo uvijek punovalni sa četiri diode ili sa gotovom Graetzovim ispravljačom. Ispravljeni mrežni napon doseže 320-340 V te slijedi filtarski kondenzator nazivnog napona barem 400 V i kapaciteta, ovisno o snazi napajanja, reda nekoliko desetaka do nekoliko stotina mikrofarada. Kod slabijih SMPS napajanja ispravljeni mrežni napon se obično snižava otporničkim djeliteljem napona tako da se u primarnom prekidačkom krugu mogu koristiti jeftiniji elementi za niže napone.
Izvedbe ostalih sklopova impulsnog napajanja mogu biti vrlo različite: negdje se koriste tranzistori (jedan ili više), a negdje specijalizirani integrirani krugovi. Za izolaciju upravljačkog PWM signala danas se rijetko koriste transformatori, zamijenili su ih optoparovi. Jednako tako i tranzistori izlaze iz upotrebe, a umjesto njih se koriste specijalizirani integrirani krugovi koji sadrže gotovo sve komponente SMPS napajanja (kompletno PWM upravljanje i prekidački tranzistor).
Najjednostavnija (low cost) SMPS napajanja mogu se izvesti uz upotrebu samo jednog prekidačkog tranzistora kao aktivnog elementa u primarnom dijelu, a PWM oscilacije za istog dobivaju se preko posebnog namota na primaru transformatora koji je spojen s bazom ili gejtom prekidačkog tranzistora (bazni namot). Radi se o samo-uzbudnom sklopu. U trenutku kad se uključi napajanje, struja poteče kroz bazu tranzistora te se isti otvori. Sada preko otvorenog tranzistora struja poteče i kroz primarni namot, preko kojeg se zatim inducira napon i u baznom namotu. Napon induciran u baznom namotu raste s porastom kolektorske struje i za to vrijeme tranzistor postaje sve više otvoren. Proporcionalno tome kolektorski napon sve više raste, a napon na primarnom i baznom namotu pada što uzrokuje zatvaranje tranzistora. Kao posljedica toga, energija pohranjena u transformatoru prenosi se na sekundarni namot i dalje preko ispravljača i komponenata filtra na opterećenje. Krug se zatim ponavlja, a frekvencija izmjena ovisi o ulaznom naponu i opterećenju na sekundarnoj strani. Prema tvorničkim podacima naše napajanje NFS110-7912 na punom opterećenju radi frekvencijom 20-70 kHz, a u praznom hodu od 100-250 kHz.
Neka (novija) napajanja također imaju dodatni namot na primaru transformatora, no on služi samo za osiguranje napona napajanja integriranog kruga ili drugog poluvodičkog sklopa zaduženog za generiranje PWM signala. Također su razvijeni integrirani krugovi koji se napajaju izravno iz filtriranog mrežnog napona i u sebi sadrže kompletan prekidački sklop sa upravljanjem.
Naše napajanje je kombinacija samo-uzbudnog sklopa sa baznim namotom i tranzistorskog kruga sa izolacijskim PWM transformatorom preko kojeg se može regulirati brzina ponavljanja ciklusa ovisno o izlaznom naponu. Spomenuti PWM transformator ima tri namota: preko jednog se napaja Gate okidački tranzistora, a preko ostala dva se moduliraju PWM signali iz baznog namota i (izolirano) iz povratnog kruga izlaznog napona. Ovakvu izvedbu SMPS napajanja teško da ćemo više naći u uređajima mlađima od 15 godina.
Ono što se odmah vidi to je pregoreni prekidački tranzistor IRF 840 (500V/8A) u primarnom krugu napajanja transformatora impulsnim (PWM) naponom. Uzrok pregaranja ovog tranzistora može biti njegova dotrajalost, no moguće i da su ga uništili naponski šiljci (pikovi) koji se neizbježno javljaju u prekidačkim krugovima svih vrsta zavojnica kao što su one kod releja, elektromotora ili u našem slučaju to je primarna zavojnica transformatora. Za filtriranje, odnosno ograničenje amplitude tih prenaponskih šiljaka u našem se slučaju koristi brza lavinska dioda BYV 26C koja je spojena paralelno primarnoj zavojnici transformatora i ograničava napon na 600 V. Lavinske diode rade praktično isto kao i Zener diode ali su dizajnirane za puno više probojne napone. Stoga smo prije zamjene tranzistora provjerili ispravnost ove diode i ujedno zamijenili sumnjivi RIFA PME261 47nF/630V folijski impulsni kondenzator također u tom krugu. Ovdje treba napomenuti da i sam prekidački tranzistor IRF 840 ima u istom kućištu paralelno svojim izvodima Drain i Source vezanu brzu zaštitnu prenaponsku lavinsku diodu (s probojnim naponom 500 V).
Nakon zamjene ove dvije komponente napajanje i dalje nije radilo. Utvrđeno je da ne radi PWM oscilator, odnosno Gate priključnica MOSFET-a IRF 840 ne dobiva nikakav pobudni napon. Praćenjem ove linije uočeno je da oscilatorski tranzistor nema napajanja. Napajanje je zapravo bilo kratko spojeno neispravnom probijenom diodom vezanom na priključke Gate-Source tranzistora IRF 840. Oznake sa ove diode nisu bile čitljive (električnu shemu također ne posjedujemo), no gotovo sigurno se radi o zaštitnoj Zener diodi, koja ograničava napon Gate-Source na neki napon između 4 i 20 V koliko je dozvoljeni prema specifikacijama tranzistora. S obzirom da se Gate tranzistora napaja preko posebnog namota na primarnoj strani transformatora i preko izolacijskog / PWM transformatora, time je i ovdje moguća pojava naponskih šiljaka koji mogu uništiti tranzistor. Moguće da je ovdje ugrađena neka specijalna TVS dioda (engl. Transient Voltage Suppression diode) dizajnirana za prekidačka napajanja, no jednako dobro će poslužiti bilo kakva Zener dioda za napone oko 10 V. Također je provjerom ostalih komponenti utvrđeno da je jedan elektrolitski kondenzator 22µF/35V potpuno u prekidu pa je i on zamijenjen.
U našem slučaju posljedično su uništene tri komponente, no zbog visokih napona i struja u SMPS napajanjima često može doći do lančanog uništenja većeg broja komponenti. Svako napajanje može se svesti na istu blok shemu, no izvedbe mogu biti doista raznolike, i treba biti vrlo oprezan prilikom popravka istih jer su često potrebni zahvati (probe ili mjerenja) pod naponom koji je u čitavom primarnom krugu opasan po život. Također, osim isključenja mrežnog napona, svaki puta je potrebno obavezno isprazniti filtarske kondenzatore jer su isti velikog kapaciteta i visokog napona te mogu izazvati ozbiljan strujni udar prilikom slučajnog dodira. Oznake na elementima SMPS napajanja znaju biti prilično “egzotične”, jednako kao i same komponente koje se koriste isključivo za SMPS napajanja, pa treba biti siguran prilikom popravka kako se ne bi desilo da napajanje, osim sebe, na kraju uništi i elektronički sklop koji napaja.
Procesorska ploča sa memorijom i tlačnim pretvornicima
Pločica sa grafičkim sustavom
Matična ploča sa napajačkim modulom, pneumatskim sklopovima (pumpa i ventili) za mjerenje krvnog tlaka, tri mjerna modula (od mogućih šest) signala iz vanjskih sondi (ECG, Press1, Temp1), mjerni modul za SpO2 (pulsna oksimetrija)
Konektorska ploča za povezivanje matične i procesorske ploče
Za monitor Diascope NT Type 3050 danas je već nemoguće naći bilo kakve podatke no prema oznakama na ekranu (skraćenice njemačkih naziva) može se zaključiti da omogućuje prikaz svih tipičnih parametara kao što je to slučaj i kod modernih monitora vitalnih funkcija:
- EKG – kardiogram rada srca
- SpO2 – mjerenje zasićenosti krvi kisikom (pulsna oksimetrija)
- NIBD – neinvazivno mjerenje krvnog tlaka
- Temp °C – mjerenje temperature tijela
- HF S/min – mjerenje frekvencija rada srca (puls)
- P/min – mjerenje broja udisaja
U Diascope NT Type 3050 ugrađena je punjiva baterija 12V/2,5Ah, termalni pisač i memorija za spremanje izmjerenih podataka i eventualnih alarma kapaciteta 24 sata. Na bateriji (koja je davno izgubila funkciju) vide se tragovi taljenja te je moguće su one bile uzrok pregaranja napajanja. U termalnom pisaču zatekli smo termalnu traku, no čini se da je pod utjecajem temperature iscurio termalni premaz kojom je natopljena traka i isti se razlio i slijepio po unutrašnjosti pisača. Sada znamo da se osim baterija u elektroničkim uređajima ne smiju duže ostavljati ni termalne trake pisača.
Ovdje se nećemo detaljno baviti proučavanjem svih parametara koje je moguće podesiti na uređaju jer je to čista medicinska tematika, no s elektroničke strane gledano treba naglasiti da ovakvi uređaji obrađuju izuzetno male vrijednosti napona i struja dobivenih sa vanjskih senzora tako da čitavo mjerno sklopovlje mora biti s jedne strane vrlo osjetljivo, a s druge strane vrlo otporno na utjecaj neželjenih vanjskih električnih smetnji i šumova.
Nekom prilikom nabavili smo uređaj koji generira testne signale za kontrolu rada EKG i respiratorskih uređaja. Kao što se vidi sa slika radi se o vrijednostima 2 mVpp / 2,4 Hz za EKG i 0,1 Vpp / 0,3 Hz za respirator. Za ovako slabe signale vrlo niskih frekvencija potrebno je imati zaista kvalitetan osciloskop i sonde da bi prikaz signala uopće bio moguć. Na žalost, izlazni priključak iz ovog Siemensovog generatora signala ne odgovara priključcima na našem uređaju. S obzirom da imamo samo jednu kompletnu originalnu sondu, onu za mjerenje zasićenosti krvi kisikom, testirali smo naš uređaj na tom kanalu te se pokazalo da je isti ispravan.
Monitore vitalnih funkcija svi smo već imali prilike vidjeti u radu, ako (na sreću) ne uživo u bolnicama onda sasvim sigurno na bezbrojnim filmovima gdje su uvijek uz krevet nekog pacijenta na intenzivnoj njezi. Ovdje smo vidjeli kako jedan takav aparat izgleda iznutra i naravno, nadamo se da ga nećemo nikad morati gledati uključenog uz naš krevet, pa koliko god nam takvi elektronički uređaji možda bili zanimljivi 🙂
