呼吸機轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計與應(yīng)用

歐陽敏玲，封興磊，聶 征

（1.南華大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001；3.南華大學(xué) 機械學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

醫(yī)用呼吸機通常使用24 V直流穩(wěn)壓電源，當(dāng)交流電網(wǎng)掉電時，醫(yī)用呼吸機無直流電源供給，從而造成呼吸機無法正常工作；而一般短延時的UPS電源[1]在電網(wǎng)掉電時，最長提供給負(fù)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說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而且一般的UPS電源價格較貴，病患家庭難以承受如此高昂的費用。為了解決這一問題，有必要設(shè)計一種應(yīng)用于呼吸機的廉價、不間斷電源。 通過設(shè)計一種轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)長時間掉電的情況下，自動轉(zhuǎn)換為蓄電池供電，把蓄電池中的直流能量轉(zhuǎn)換成一種能長時間不間斷提供的直流穩(wěn)壓電源來供給呼吸機正常工作，從而達(dá)到以低廉的成本就能維持病人生命的目的。

1 總體設(shè)計

平時呼吸機由市電驅(qū)動工作，在交流電網(wǎng)斷電時，比較器電路自動檢測到斷電直流壓降，輸出一個低電平信號，在設(shè)定的時間內(nèi)，經(jīng)過一級延時、自鎖器、二級延時電路送給驅(qū)動器，驅(qū)動器執(zhí)行開關(guān)轉(zhuǎn)換動作，將呼吸機轉(zhuǎn)為由電池組1供電；當(dāng)電池組1長時間工作，電壓降至預(yù)定值時，比較器電路檢測到預(yù)定值壓降，輸出一個低電平信號，在設(shè)定的時間內(nèi)，經(jīng)過一級延時、自鎖器、二級延時電路送給驅(qū)動器，驅(qū)動器執(zhí)行開關(guān)轉(zhuǎn)換動作，將呼吸機工作于電池1轉(zhuǎn)為由電池組2供電；這樣可以保證呼吸機在交流電網(wǎng)斷電后有較長的工作時間。

這一工作方案總體設(shè)計由圖1系統(tǒng)框圖所示。它由比較器、一級延時、自鎖器、二級延時、驅(qū)動器、呼吸機、市電以及電池組1和電池組2所組成。

圖1 呼吸機轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)框圖Fig.1 Breathing machine change-over switch system block diagram

2 元器件特性

2.1 LM339比較器

LM339[2]由4組獨立的精密電壓比較器組成，具有低失調(diào)電壓的特點。它特地為在較大的電壓范圍內(nèi)單電源工作而設(shè)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(nèi)由4個比較器組成，每個比較器由一對同相輸入端Q1和反相輸入端Q4和一個輸出端Q8組成；由圖中可見，LM339輸出是發(fā)射極接地NPN晶體管的集電極開路形式。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(qū)動量和β的影響。達(dá)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。

圖2 LM339內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Application of LM339 internal circuit structure

2.2 零狀態(tài)響應(yīng)

設(shè)電容在某瞬間t0，而在t0之前瞬間（t0-）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(yīng)定義為電路的零狀態(tài)響應(yīng)[3]。因此，零狀態(tài)響應(yīng)是僅僅由于輸入所引起的。零狀態(tài)響應(yīng)與輸入有關(guān)。在恒定輸入直流電源作用下，電路內(nèi)的物理過程實質(zhì)上是電容動態(tài)元件的儲能從無到有的增長過程。因此，對RC電路來說，隨著電容儲能的增長，電容電壓uc（t）也按指數(shù)規(guī)律在增長。即

其中 uc（∞）為電容電壓的穩(wěn)態(tài)值（t=∞ 時的數(shù)值），τ=RC。在t=∞時，電容相當(dāng)于開路，可由此算出uc（∞），它與輸入電源有關(guān)。 當(dāng) uc（t）、uc（∞）、τ=RC 確定時，就可以確定電容充電的時間長短。兩邊取對數(shù)，得

3 電路設(shè)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(shù)穩(wěn)壓器[4]，在電源電壓24 V時，使B1的4腳箝位在2.9 V電壓，這時F1發(fā)光二極管正常發(fā)光，它有2個作用，第一個作用，起箝位電壓作用，第二個起指示24 V電壓正常供電的作用，其正常發(fā)光時電流為10 mA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，通過調(diào)節(jié)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，LM339內(nèi)部Q8是發(fā)射極接地NPN晶體管的集電極開路OC門[5]形式，R4是其上拉電阻，R4接電容C1，當(dāng)比較器輸出高電平時，由于2腳是OC門形式，R4和C1組成串聯(lián)電路，C1電容無法充電，當(dāng)2腳輸出低電平時，LM339內(nèi)部Q8晶體管導(dǎo)通，R4和C1組成串聯(lián)電路，C1這時開始充電。具體2腳是輸出高電平還是低電平，是由B1比較器的4腳和5腳電壓決定的，當(dāng)5腳電壓高于4腳電壓，就輸出高電平；當(dāng)5腳電壓低于4腳電壓就輸出低電平，完成電壓比較的作用；因為B1比較器的5腳電壓分壓是在3.2～1.6 V范圍，完全覆蓋B1比較器4腳電壓2.9 V，所以當(dāng)5腳電壓高于2.9 V，2腳就輸出高電平，當(dāng)5腳低于2.9 V，2腳就輸出低電平，這一電平的輸出，為后續(xù)的延時電路做準(zhǔn)備。

3.2 一級延時電路

由于呼吸機在電源轉(zhuǎn)換過程中，需要可靠地轉(zhuǎn)換，所以需要加延時電路。在比較器B1的2腳為開路狀態(tài)時，晶體三極管T1是處于截止?fàn)顟B(tài)的，所以C1是無法充電的，只有當(dāng)比較器B1的2腳為低電平時，由C1和R4組成的串聯(lián)電路，C1開始由零狀態(tài)開始充電，當(dāng)電容充電到0.7 V時，晶體管T1開始導(dǎo)通，隨著C1充電電壓不斷地增加，通過T1射極跟隨，R6上電壓不斷地增加，這意味著R6上的電流不斷地增加，R6上的電流不斷地增加，又引起R5上的電壓不斷地增加，直到R5上的電壓達(dá)到2 V電壓，這個電壓被F2發(fā)光二極管箝位在 2 V。 電容 C1充電電壓按 uc（t）=uc（∞）[1]公式指數(shù)曲線增長。

呼吸機需要直流24 V電壓供電，呼吸機在打開電源開關(guān)K1時，由于內(nèi)部有濾波電容，在啟動自身電源時，有一個很大的浪涌電流，造成供給電源電壓降低到10 V，大概延時2 s才回到24 V穩(wěn)定電壓。由于電源下降到10 V，這10 V的電壓，通過 R1、W1、R3的分壓，比較器 B1的 5腳在 W1的上端分壓得到1.334 V電壓，這一電壓比比較器B1的4腳電壓低，造成比較器B1的2腳輸出低電平，啟動后續(xù)C1和R4一級延時電路，根據(jù)呼吸機在啟動時這一特點，所以延時時間必須大于2 s，才不至于后續(xù)電路產(chǎn)生誤動作。

3.3 自鎖電路

由于發(fā)光二極管F2導(dǎo)通時被箝位在2 V，此2 V電壓把比較器B2的 6腳、B3的 10腳、B4的8腳箝位在 2 V，而比較器 B2的 7腳、B3的 11腳、B4的 9腳被 D6箝位在0.7 V， 這說明 B2、B3、B4 反相端的電位都大于 B2、B3、B4同相端的電位，此時，B2、B3、B4輸出都同時處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時即使比較器B1的2腳如果處于開路狀態(tài)也不影響B(tài)2、B3比較器輸出的導(dǎo)通狀態(tài)，因為C1和R4串聯(lián)可以通過B2、B3導(dǎo)通狀態(tài)對C1進(jìn)行充電，C1的充電又加速R6上電壓的增加，R6上的電流也跟著增加，直到T1達(dá)到導(dǎo)通，這一過程是一個正反饋過程，此時電路處于自鎖狀態(tài)，也就是說，比較器B1輸入端的任何電壓變化，其2腳輸出變化都不會影響后續(xù)電路。

3.4 二級延時電路

一旦自鎖電路處于自鎖時，二級延時電路就開始延時，二級延時電路由C2和R8所組成，因為自鎖時，比較器B4的14腳，處于導(dǎo)通狀態(tài)，這給C2和R8提供了充電的回路，當(dāng)C2上的電壓充電到一定電壓時，T2晶體管開始導(dǎo)通，但還不是徹底導(dǎo)通，因為隨著C2上的電壓充電，T2的發(fā)射極上的電流是隨著C2上的電壓增加而增加的，最后達(dá)到導(dǎo)通。其充電的時間，根據(jù)上面式（2）計算。

3.5 驅(qū)動器

驅(qū)動器是由電阻R10、T3中功率晶體管3DA87以及繼電器J1和J2組成，當(dāng)三體管T2導(dǎo)通時，經(jīng)過3DA87進(jìn)一步電流放大得到一個可以使繼電器吸合的工作電流，由于J1和J2是相同型號的繼電器并聯(lián)，則兩繼電器同時被驅(qū)動，把E1和E2直流電源切換到E3和E4電源，電阻R9是為了防止三體管T2在截止?fàn)顟B(tài)時由于有一個穿透電流[6]ICEC。這一穿透電流很容易被三極管3DA87放大，導(dǎo)致三極管3DA87導(dǎo)通產(chǎn)生誤動作，為了防止這一現(xiàn)象，所以在T2的集電極到地之間接一個R9電阻，降低對T3的影響，穿透電流在R9上建立的電壓不足以打開3DA87三極管，圖3中R5的作用同R9的作用是一樣的。

3.6 一級延時時間和二級延時時間計算

呼吸機正常工作時，工作電壓是24 V，當(dāng)下降到21 V電壓時，呼吸機可能工作就不穩(wěn)定，所以必須轉(zhuǎn)換到E3和E4的24 V電壓上。當(dāng)電池E1和E2工作了很長一段時間，電壓下降到21 V，就可能造成比較器B1的5腳電壓小于4腳電壓，啟動比較器B1的2腳輸出低電平。為C1和R4一級延時電路做準(zhǔn)備，延時電路啟動，引起電路自鎖。

自鎖器是在R5電壓大于0.7 V電壓時開始自鎖的，當(dāng)R5電壓在0.7 V時，其上電流為0.7 mA，這時，R6上的2 K電阻可獲得1.2 V的電壓，通過T1管發(fā)射極到基極PN結(jié)0.7 V電壓，在C1電容上，可得到充電電壓2.1 V電壓，根據(jù)式（2）

一級延時時間：

驅(qū)動器是在C2充電到0.7 V電壓時才開始工作的，所以二級延時時間：1.864 6 s

t=t1+t2=3.07+1.864 6=4.934 6 s

從以上計算看出，干擾小于 3 s，電路不會自鎖，大于3秒電路會自鎖，從電壓降到21 V到繼電器J1和J2可靠轉(zhuǎn)換，需5 s時間，這樣就保證了呼吸機轉(zhuǎn)換開關(guān)的可靠性。

圖3 呼吸機轉(zhuǎn)換開關(guān)電路原理圖Fig.3 Ventilator change-over switch circuit diagram

3.7 整機工作原理與電路調(diào)試

第一步：調(diào)節(jié)W1電位器，把滑動端調(diào)到最上端，接通交流220 V電壓，這時D8負(fù)端獲得24 V直流電壓，F(xiàn)1發(fā)光二極管發(fā)光，指示24 V電源已經(jīng)上電。接通呼吸機開關(guān)K1，呼吸機獲得24 V直流電壓。接著接通K開關(guān)，E1和E2串聯(lián)24 V電池電壓通過D3和D4被接入電路，此時，呼吸機獲得的電壓是由D8和D3輸出來決定的，當(dāng)D8輸出的對地電壓高于D3輸出的對地電壓時，D3反相偏置而截止，呼吸機獲得的工作電壓就由電網(wǎng)提供的能量來決定，反之，就由電池提供能量。

第二步：斷開市電，使D8輸出為0 V，此時，呼吸機由E1和E2電池提供電壓24 V。

第三步:調(diào)節(jié)W1電位器[7]滑動端到最下端，此點電壓比比較器B1的4腳電壓低，此時，比較器B1的2腳輸出低電平，接著C1和R4延時充電，隨后把T1接通，在R5上建立2 V電壓，此電壓大于D6電壓，通過比較，使B2、B3、B4輸出低電平，C1和R4繼續(xù)充電，此過程是一個正反饋過程，把比較器2腳鎖死，即使比較器2腳變化也不會影響C1和R4繼續(xù)充電。電路自鎖后，通過C2和R8繼續(xù)延時充電，打通晶體管T2和T3，T3驅(qū)動J1和J2線包，繼電器J1和J2常閉點2和4瞬間接通J1和J2常開點1和3，把串聯(lián)E3和E4電池接入電路，提供給呼吸機24 V電源。為了指示電池電壓轉(zhuǎn)換成功，在繼電器J1的常閉開關(guān)中，接一R12和F3串聯(lián)支路，當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)換成功后，24 V加在該串聯(lián)支路上，發(fā)光二極管F3發(fā)光，表示開關(guān)轉(zhuǎn)換成功。

電路中D1和D2是降壓二極管，因為電動摩托車4節(jié)電瓶在充滿電壓時，電壓可達(dá)到51 V直流電壓，為了在呼吸機上得到24 V的直流電壓，所以要用D1和D2來進(jìn)行降壓。電路中K是雙刀雙擲開關(guān)，當(dāng)開關(guān)K按下時，常開點閉合，接通電源，同時C1兩端的常閉點斷開，C1和R4延時充電；當(dāng)開關(guān)K斷開時，電源斷開，C1兩端被閉合，C1放電。

4 結(jié)束語

呼吸機轉(zhuǎn)換開關(guān)相當(dāng)于一臺UPS電源，但從工作原理上又不同于UPS電源，UPS電源在電網(wǎng)斷電時，提供的是交流220 V電壓。而呼吸機轉(zhuǎn)換開關(guān)在電網(wǎng)斷電時，給負(fù)載提供的是長時間的直流電壓，此電壓由電動摩托車電池替代，所以呼吸機在電網(wǎng)斷電的情況下能長時間工作。根據(jù)這一工作原理，它可用在當(dāng)電網(wǎng)斷電時，需要直流工作的任何額定電壓負(fù)載，所以它有著很廣泛的應(yīng)用。從長期應(yīng)用中，它工作穩(wěn)定可靠。

[1]李成章.中小型UPS不間斷電源及直流穩(wěn)壓電源 [M].北京：電子工業(yè)出版社，1990.

[2]朱鴻鶚.顯示器電路原理與維修[M].北京：電子工業(yè)出版社，1992.

[3]羅先覺.電路[M].北京：人民教育出版社，2006.

[4]童詩白.模擬電路基礎(chǔ)[M].北京：人民教育出版社，1981.

[5]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7]金貴，馬顯光，鄧玲.數(shù)字電位器MCP41010在止鼾器中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（4）：187-189.JIN Gui，MA Xian-guang，DENG Ling.Application of digital potentiometer MCP41010 in snore-ceasing equipments[J].Modern Electronics Technique，2010（4）：187-189.