Come selezionare e applicare i componenti giusti per proteggere i dispositivi medici, gli utenti e i pazienti

Continua ad aumentare l'uso di apparecchiature mediche non di laboratorio, di diagnostica a contatto con il paziente e salvavita come ventilatori, defibrillatori, ecografi ed elettrocardiogrammi. Tra le ragioni vi sono l'invecchiamento della popolazione, l'aumento delle aspettative di cura dei pazienti e i miglioramenti della tecnologia elettronica medica che rendono più pratici tali sistemi. Queste apparecchiature necessitano di protezione contro vari tipi di problemi elettrici che possono arrecare danni al personale ospedaliero e ai pazienti.

Tuttavia, la protezione completa dei circuiti richiede molto di più di un semplice fusibile termico e l'implementazione della protezione non è una questione di trovare il dispositivo migliore per un dato progetto e una data applicazione. Si tratta invece di capire prima quali circuiti necessitino di protezione e poi di determinare il modo di protezione migliore. In generale, sono necessari più componenti passivi per la protezione e un sistema tipico può aver bisogno di una dozzina o più di questi dispositivi di protezione specializzati. I dispositivi di protezione sono come l'assicurazione: anche se può essere necessaria solo raramente o mai, il costo di non averla supera di gran lunga il costo di averla.

Questo articolo esamina i punti in cui è necessaria la protezione in tali sistemi medicali, compresi gli I/O di segnali/sensori rivolti verso il paziente, l'alimentazione, le porte di comunicazione, il nucleo di elaborazione e le interfacce utente. Vengono inoltre discussi i vari tipi di componenti di protezione circuitale e di sistema, utilizzando esempi di Littelfuse, Inc. e si esamina il ruolo e l'applicazione di ciascuno di essi.

Il ruolo della protezione nei sistemi medicali

Per la maggior parte degli ingegneri la frase "protezione dei circuiti" fa subito venire in mente il classico fusibile termico, in uso da oltre 150 anni. La sua moderna incarnazione è in gran parte dovuta al lavoro di Edward V. Sundt, che nel 1927 brevettò il primo piccolo fusibile di protezione a intervento rapido, progettato per evitare che i misuratori di prova sensibili si bruciassero (Riferimento 1). In seguito, fondò quella che divenne Littelfuse, Inc.

Da allora, le opzioni di protezione dei circuiti si sono notevolmente ampliate in riconoscimento delle numerose modalità di guasto potenziale di un circuito, tra cui:

• Guasti interni che possono provocare a cascata una serie di danni ad altri componenti
• Guasti interni che possono mettere a rischio l'operatore o il paziente
• Problemi operativi interni (tensione/corrente/termici) che possono sollecitare altri componenti e portare al loro guasto prematuro
• Transitori e picchi di tensione/corrente che sono una parte intrinseca e inevitabile della funzionalità del circuito e devono essere gestiti con attenzione

Molti di questi problemi si applicano alle unità alimentate a batteria, non solo a quelle alimentate da linea in c.a.

La funzione di molti, ma non di tutti i dispositivi di protezione è quella di sopprimere i transitori di tensione di livello inaccettabile. Esistono due categorie principali di soppressori di transitori: quelli che attenuano i transitori, impedendo così la loro propagazione nel circuito sensibile e quelli che allontanano i transitori dai carichi sensibili e quindi limitano la tensione residua. È fondamentale studiare attentamente le schede tecniche dei dispositivi per le curve di declassamento termico e delle prestazioni, in quanto alcune sono specificate per la protezione transitoria di varie durate delimitate da limiti di tensione, corrente e tempo definiti e non per la protezione nello stato stazionario.

Tra i molti parametri elettrici da considerare vi sono la tensione di tenuta, la corrente massima, la tensione di rottura, la massima tensione di lavoro inversa o di interdizione inversa, la corrente impulsiva di picco, la resistenza dinamica e la capacità. È anche importante capire in quali condizioni ognuna sia definita e specificata. Anche le dimensioni del dispositivo e il numero di canali o linee protette sono altrettanto importanti. La scelta del miglior dispositivo di protezione da utilizzare in un circuito è una funzione di questi fattori e spesso vi sono gli inevitabili compromessi tra i vari parametri. Esistono quasi certamente approcci preferiti o "standard", ma vi sono anche scelte che devono essere giudicate, valutate e fatte oculatamente.

Le opzioni di protezione dei circuiti sono molte: scegliete saggiamente

Vi sono diverse opzioni di protezione. Ognuna ha una funzionalità e un insieme di caratteristiche uniche che la rendono una scelta adeguata - o l'unica - per implementare la protezione contro specifiche classi di guasti o caratteristiche circuitali inevitabili. Le principali opzioni di protezione sono:

• Il tradizionale fusibile termico
• Dispositivi con coefficiente di temperatura positivo polimerico (PPTC)
• Varistori metallo-ossido (MOV)
• Varistori multistrato (MLV)
• Diodi di soppressione di tensioni transitorie (TVS)
• Array di diodi
• Relè a stato solido (SSR)
• Indicatori di temperatura
• Tubi a scarica di gas (GDT)

Il fusibile termico è di semplice concezione. Utilizza un fusibile conduttivo fabbricato con metalli accuratamente selezionati e di dimensioni precise. Il flusso di corrente oltre il limite di progetto fa sì che il collegamento si riscaldi e fonda, interrompendo così in modo permanente il percorso della corrente. Per i fusibili standard, il tempo di apertura del circuito va da diverse centinaia di millisecondi ad alcuni secondi, in funzione della quantità di sovracorrente rispetto al limite nominale. In molti progetti, si tratta di una linea di protezione finale, in quanto agisce in modo deciso e irrevocabile.

I fusibili sono disponibili per valori di corrente da meno di un ampere a centinaia di ampere o più e possono essere progettati per resistere a centinaia o migliaia di V tra i loro due terminali in condizioni di circuito aperto indotto da guasti.

Un fusibile tipico di Littelfuse è 0215.250TXP, un fusibile da 250 mA, 250 V_c.a. in un contenitore ceramico di 5 x 20 mm (Figura 1). Come la maggior parte dei fusibili, ha un alloggiamento cilindrico o a cartuccia che non viene saldato nel circuito ma si inserisce in un portafusibili per facilitarne la sostituzione. I fusibili sono disponibili anche in alloggiamenti rettangolari e a "lama", oltre a quelli che possono essere saldati; si noti che il profilo di saldatura deve essere osservato attentamente per evitare di danneggiare l'elemento fusibile.

Figura 1: 0215.250TXP di Littelfuse è un fusibile da 250 mA, 250 V_c.a. in corpo ceramico con un diametro di 5 mm e una lunghezza di 20 mm. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Nonostante la loro apparente semplicità, i fusibili sono proposti in molte varianti e hanno altri fattori che devono essere presi in considerazione quando si sceglie quello appropriato per un circuito (Riferimenti 2 e 3). I fusibili sono comunemente usati sulle linee c.a. in ingresso, sui cavi di uscita dove può verificarsi un cortocircuito totale o internamente dove una sovracorrente può causare guasti irreparabili e pertanto il flusso di corrente deve essere arrestato completamente e la fonte del problema deve essere determinata e risolta prima che il funzionamento possa riprendere.

I dispositivi PPTC si rivolgono due tipi principali di applicazioni: la regolamentazione di sicurezza come per una porta USB, l'alimentazione, la batteria o il controllo del motore e la prevenzione dei rischi per una porta I/O. In condizioni anomale come in presenza di sovracorrente, sovraccarico o sovratemperatura, la resistenza PPTC aumenterà drasticamente, limitando la corrente di alimentazione per proteggere i componenti circuitali.

Una volta che un dispositivo PPTC entra in uno stato di alta resistenza, una piccola quantità di corrente continua a fluire attraverso il dispositivo. I dispositivi PPTC richiedono una corrente di "dispersione" di riscaldamento a basso joule o una fonte di calore esterna per mantenere la loro condizione di intervento. Dopo aver rimosso la condizione di guasto e riattivato l'alimentazione, questa fonte di calore viene eliminata. Il dispositivo può quindi tornare a una bassa resistenza e il circuito viene ripristinato alle normali condizioni di funzionamento. Sebbene i dispositivi PPTC siano talvolta descritti come "fusibili ripristinabili", non sono in realtà fusibili, ma termistori non lineari che limitano la corrente. Poiché tutti i dispositivi PPTC passano a uno stato di alta resistenza in una condizione di guasto, il normale funzionamento può comunque comportare la presenza di tensioni pericolose in alcune parti del circuito.

Un buon esempio di PPTC è 2016L100/33DR di Littelfuse, un dispositivo PPTC a montaggio superficiale, 33 V, 1,1 A per applicazioni a bassa tensione (≤60 V) dove è necessaria una protezione ripristinabile (Figura 2). Ha un ingombro di 4 x 5 mm e interviene in meno di 0,5 secondi a una sovracorrente di 8 A.

Figura 2: Il dispositivo 2016L100/33DR è un PTTC da 33 V, 1,1 A per applicazioni a bassa tensione che richiedono una protezione ripristinabile; reagisce in meno di 0,5 s a una sovracorrente di 8 A. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

In un tipico ventilatore, 2016L100/33DR potrebbe essere utilizzato per proteggere il MOSFET del sistema di gestione della batteria da correnti elevate dovute a cortocircuiti esterni o per fornire la protezione contro la sovracorrente per i chipset USB (Figura 3).

Figura 3: In questo diagramma a blocchi del ventilatore, i dispositivi PPTC possono essere utilizzati nel sistema di gestione della batteria e nelle sezioni della porta USB (aree 2 e 5). (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

I MOV sono dispositivi non lineari dipendenti dalla tensione con un comportamento elettrico simile ai diodi Zener in opposizione di fase. Le loro caratteristiche di cedimento simmetrico e brusco consentono di fornire eccellenti prestazioni di soppressione dei transitori.

Quando si verifica un transitorio ad alta tensione, l'impedenza del varistore diminuisce sensibilmente da un circuito quasi aperto a un livello altamente conduttivo, bloccando la tensione transitoria su un livello sicuro in pochi millisecondi (Figura 4).

Figura 4: La curva tensione-corrente (V-I) del MOV mostra la sua normale regione ad alta resistenza e la sua regione a bassissima impedenza, che si verifica quando la tensione aumenta oltre la soglia progettata. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Di conseguenza a di questa azione di bloccaggio, l'energia potenzialmente distruttiva dell'impulso transitorio viene assorbita dal varistore (Figura 5).

Figura 5: Commutazione brusca del MOV da alta a bassa impedenza quando si verifica una tensione transitoria che blocca tale tensione a un livello accettabile. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

I MOV sono offerti in svariati contenitori, ad esempio V07E250PL2T da 390 V, 1,75 kA è un piccolo disco con fori passanti che misura solo 7 mm di diametro (Figura 6). Spesso vengono utilizzati su una linea c.a. in ingresso per evitare danni dovuti a transitori di tensione sulla linea in c.a. (area 1 in Figura 3). Si noti che i MOV possono essere collegati in parallelo per migliorare le capacità di gestione della corrente di picco e dell'energia, nonché in serie per fornire valori nominali di tensione superiori a quelli normalmente disponibili o valori nominali tra le offerte standard.

Figura 6: Il MOV V07E250PL2T è un disco da 7 mm con conduttore passante, dal diametro nominale di 7 mm per il funzionamento a 390 V e può gestire transitori fino a 1.750 A (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

I MLV sono simili ai MOV e forniscono la stessa funzione di base, ma hanno una costruzione interna diversa e quindi caratteristiche leggermente diverse. I MLV sono fabbricati mediante strati stampati a umido di ossido di zinco (ZnO) ed elettrodi metallici interni, per sinterizzazione, terminazione, vetrificazione e infine placcatura. In generale, a parità di tensione nominale MOV, i componenti MLV più piccoli hanno una tensione di tenuta più alta a correnti più elevate, mentre i componenti più grandi hanno una maggiore capacità energetica.

Il MLV V12MLA0805LNH, ad esempio, è stato testato con più impulsi al suo valore di corrente di picco (3 A, 8/20 µs). Alla fine del test - 10.000 impulsi - le caratteristiche di tensione del dispositivo sono rimaste ben entro le specifiche (Figura 7). Questo dispositivo deve essere considerato per la protezione dai transitori nell'alimentazione del ventilatore e nella porta USB (aree 1 e 5 in Figura 3).

Figura 7: Un MLV come V12MLA0805LNH può resistere a ripetuti impulsi transitori senza deterioramento delle prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

I diodi TVS proteggono anche l'elettronica sensibile dai transitori ad alta tensione e possono rispondere agli eventi di sovratensione più velocemente rispetto alla maggior parte degli altri tipi di dispositivi di protezione dei circuiti. Bloccano e quindi limitano la tensione a un determinato livello mediante una giunzione p-n di sezione maggiore rispetto a quelle dei diodi normali che consente al diodo TVS di condurre a terra grandi correnti senza danni.

I diodi TVS sono in genere utilizzati per proteggere da sovrasollecitazioni elettriche come quelle indotte da fulmini, accensione e spegnimento di carichi induttivi e scariche elettrostatiche (ESD) associate alla trasmissione o alle linee di dati e ai circuiti elettronici. Il loro tempo di risposta è di pochi nanosecondi, il che è vantaggioso per proteggere le interfacce I/O relativamente sensibili nei prodotti medicali, nelle apparecchiature di telecomunicazione e industriali, nei computer e nell'elettronica consumer. Hanno una relazione di tenuta definita tra la tensione transitoria rispetto alla tensione e alla corrente attraverso il TVS, con specifiche definite dal modello TVS in esame (Figura 8).

Figura 8: La relazione generale per un TVS tra i transitori di tensione, la tensione e la corrente attraverso il TVS, con valori specifici determinati dal modello di diodo TVS selezionato. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

SMCJ33A è un diodo TVS unidirezionale con una tensione di tenuta all'impulso di 53 V e una corrente di picco di 28 A in un contenitore SMT di 5,6 x 6,6 mm; è disponibile anche una versione bidirezionale (suffisso B) per l'uso quando sono previsti transitori sia positivi che negativi. In un'applicazione rappresentativa come un ecografo portatile con un generatore di impulsi ad alta tensione per pilotare i trasduttori piezoelettrici, i diodi TVS potrebbero essere usati per proteggere le porte USB e il display LCD/LED dell'interfaccia utente (aree 2 e 3 in Figura 9).

Figura 9: In questo diagramma a blocchi per ecografi portatili, un diodo TVS come SMCJ33A con una tensione di tenuta all'impulso di 53 V può essere usato per la protezione contro i transitori alle porte USB e al display LCD/LED (aree 2 e 3). (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Gli array di diodi utilizzano diodi di orientamento centrati attorno a un grande diodo TVS (come un diodo Zener) per aiutare a ridurre la capacità vista dalle linee di I/O. Questi dispositivi hanno una bassa capacità nello stato Off da 0,3 a 5 pF e sono adatti per livelli ESD da ±18 kV a ±30 kV. Le applicazioni includono ad esempio la protezione delle interfacce USB 2.0, USB 3.0, HDMI, eSATA e DisplayPort. Si noti che l'array di diodi TVS fornisce le stesse funzionalità di base, ma ha una capacità più elevata e quindi è più adatto per interfacce a bassa velocità.

SP3019-04HTG è un esempio di un array di diodi del genere (Figura 10). Integra quattro canali di protezione ESD asimmetrica a bassissima capacità (0,3 pF) in un contenitore SOT23 a sei conduttori e presenta anche una corrente di dispersione estremamente bassa tipica di 10 nA a 5 V. Come per il diodo TVS, le applicazioni tipiche sono per la protezione delle porte USB e del display LCD/LED dell'interfaccia utente (ancora una volta, le aree 2 e 3 in Figura 9).

Figura 10: Un array di diodi come SP3019-04HTG fornisce una protezione ESD per più linee di I/O ad alta velocità. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Gli SSR, anche detti optoisolatori o fotoisolatori, permettono a una tensione di commutare e controllare una tensione indipendente e non correlata con un isolamento galvanico quasi perfetto (senza percorso ohmico) tra ingresso ed uscita. Servono molteplici obiettivi generali. Uno è funzionale: possono eliminare gli anelli di massa tra i sottocircuiti separati o permettere ai driver high-side di una configurazione MOSFET a semiponte o ponte H di "galleggiare" senza contatto a terra. Un altro obiettivo è legato alla sicurezza e particolarmente importante per i dispositivi medici, il cui isolamento non accetta compromessi. Questo contenimento è necessario nei casi in cui vi siano tensioni interne elevate e contatto dell'utente o del paziente con i cavi della strumentazione, le manopole, le sonde e gli involucri.

CPC1017NTR è rappresentativo di un SSR di base unipolare, normalmente aperto (1 Form A). È confezionato in un piccolo contenitore a quattro conduttori da 4 mm², con un isolamento di 1.500 V_RMS tra ingresso e uscita. È estremamente efficiente, richiede solo 1 mA di corrente LED per funzionare, può commutare 100 mA/60 V e fornisce una commutazione priva di archi elettrici senza circuiti snubber esterni. Inoltre, non genera EMI/RFI ed è immune ai campi elettromagnetici irradiati dall'esterno - caratteristiche che sono richieste in alcuni sistemi e strumentazioni medicale. In un'applicazione come un defibrillatore, i progettisti possono usarlo per separare elettricamente il circuito a bassa tensione dalle alte tensioni del ponte che aziona le palette dell'unità (Figura 11).

Figura 11: In un defibrillatore, un SSR permette all'elettronica a bassa tensione di pilotare le palette ad alta tensione, mentre permette ai driver "galleggianti" del lato superiore della disposizione a ponte H di rimanere isolati dalla terra del sistema (area 5). (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Gli indicatori di temperatura sono versioni specializzate dei sensori di temperatura come i termistori. Anche se può sembrare ovvio che le aree potenzialmente calde come gli alimentatori o le fonti di tensione più elevate devono essere monitorate per il riscaldamento eccessivo, anche una porta I/O come USB Type-C può gestire una corrente significativa e quindi surriscaldarsi. Ciò può essere dovuto a un guasto interno o anche a un carico difettoso o un cavo in cortocircuito.

Per gestire questo potenziale problema, un dispositivo come l'indicatore di temperatura SETP0805-100-SE con coefficiente di temperatura positivo (PTC) setP aiuta a proteggere le spine USB Type-C dal surriscaldamento. È stato progettato per accettare le specifiche di questo standard USB ed è in grado di proteggere anche i più alti livelli di USB Type-C Power Delivery. Disponibile in un contenitore 0805 (2,0 x 1,2 mm), protegge i sistemi che consumano 100 W o più, fornendo un'indicazione sensibile ed affidabile della temperatura quando la sua resistenza aumenta da un valore nominale di 12 Ω su 25 ⁰C a 35 kΩ su 100 ⁰C (valori tipici).

I GDT possono richiamare alla mente degli ingegneri immagini di tubi grandi e ingombranti con scintille visibili, ma in realtà sono molto diversi. Questi tubi sono posizionati tra una linea o un conduttore da proteggere - di solito una linea di alimentazione in c.a. o un altro conduttore "esposto" e la terra del sistema - per fornire un meccanismo quasi ideale tramite il quale deviare a terra le sovratensioni più elevate.

In condizioni di funzionamento normali, il gas all'interno del dispositivo agisce come un isolante e il GDT non conduce corrente. Quando si verifica una condizione di sovratensione (chiamata tensione di scarica distruttiva), il gas all'interno del tubo si scinde e conduce la corrente. Quando la condizione di sovratensione supera i parametri nominali della tensione di scarica distruttiva, il GDT si accende e si scarica, deviando l'energia dannosa. I GDT sono disponibili come dispositivi bipolari per linee non a terra e dispositivi tripolari per linee a terra, entrambi in piccoli contenitori SMT per facilitare la progettazione e il montaggio della scheda (Figura 12).

Figura 12: I GDT sono offerti come dispositivi bipolari (sinistra) per i circuiti non a terra e come dispositivi tripolari per i circuiti a terra (a destra) (il simbolo GDT è la "Z" a destra di ogni diagramma schematico). (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

I GDT sono disponibili per valori di scarica distruttiva fino a 75 V e possono gestire centinaia o addirittura migliaia di ampere. Ad esempio, GTCS23-750M-R01-2 è un GDT bipolare con una scarica distruttiva a 75 V e una corrente nominale di 1 kA, alloggiato in un contenitore SMT di 4,5 mm di lunghezza e 3 mm di diametro, che ne permette il posizionamento pressoché ovunque per la protezione (Figura 13).

Figura 13: I GDT non devono necessariamente assomigliare ai grandi spinterometri visti nei film; GTCS23-750M-R01-2 è un GDT da 75 V, 1 kA in un contenitore SMT di soli 4,5 mm di lunghezza e 3 mm di diametro. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Le norme guidano la progettazione

I dispositivi medici devono soddisfare molteplici standard di sicurezza, alcuni dei quali si applicano a tutti i prodotti consumer e commerciali, altri solo ai dispositivi medici. Molti di questi standard sono di portata internazionale. Tra i molti standard e mandati normativi ci sono:

• IEC 60601-1-2, "Apparecchi elettromedicali - Parte 1-2: Prescrizioni generali per la sicurezza di base e le prestazioni essenziali - Norma collaterale: Perturbazioni elettromagnetiche - Prescrizioni e prove"
• IEC 60601-1-11, "Apparecchi elettromedicali - Parte 1-11: Prescrizioni generali per la sicurezza di base e le prestazioni essenziali - Norma collaterale: Prescrizioni per il materiale elettromedicale e i sistemi elettromedicali utilizzati nell'ambiente sanitario domestico"
• IEC 62311-2, "Valutazione delle apparecchiature elettroniche ed elettriche relative ai limiti di esposizione umana ai campi elettromagnetici (da 0 Hz a 300 GHz)"
• IEC 62133-2, "Pile secondarie e batterie contenenti elettroliti alcalini o altri elettroliti non acidi - Prescrizioni di sicurezza per le celle al litio secondarie sigillate portatili al litio e per le batterie costruite con queste celle, per l'uso in applicazioni portatili - Parte 2: Sistemi al litio"

L'attenzione alla selezione dei dispositivi di protezione dei circuiti e al loro utilizzo è fondamentale per soddisfare questi requisiti di sicurezza. L'utilizzo di tecniche e componenti accettati e approvati può anche accelerare il processo di approvazione.

Conclusione

I requisiti che determinano come, dove, quando e perché utilizzare i dispositivi di protezione dei circuiti in generale, e nelle unità mediche in particolare, sono una sfida progettuale complicata. Sono molti i componenti di protezione adatti, alcuni specifici per una data funzione del circuito e altri con un'applicabilità più generale. Ogni componente comporta una serie di attributi che lo rendono il più adatto, o almeno il migliore, nelle diverse posizioni del circuito e del sistema che richiedono tale protezione. Nessun singolo dispositivo si adatta alle molteplici e diverse esigenze del sistema e quindi i progettisti finiranno per utilizzare approcci di protezione multipli.

Nella maggior parte dei casi, le numerose decisioni relative ai dispositivi da utilizzare e al modo migliore per farlo sono intrinsecamente complicate e anche soggette a revisione normativa. I progettisti dovrebbero prendere in seria considerazione la possibilità di chiedere l'aiuto di ingegneri applicativi esperti presso il fornitore del dispositivo di protezione o il loro fornitore (distributore) designato. La loro esperienza e competenza possono abbattere il time-to-market, garantire la progettazione perfetta e facilitare il percorso verso l'approvazione normativa.