用光電耦合器解決二氧化碳激光治療機(jī)的電磁干擾問(wèn)題

【摘要】本文介紹了使用光電耦合隔離器解決了二氧化碳激光治療機(jī)的電磁干擾問(wèn)題，以及光電耦合器的性能和工作原理，提出了抑制干擾而采取的電氣隔離的技術(shù)措施，從而保證了二氧化碳激光治療機(jī)的正常工作。

【關(guān)鍵詞】電子；電路；光電耦合器；二氧化碳激光治療機(jī)；電磁干擾

【中圖分類號(hào)】R-0【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】1671-8801（2014）06-0346-02

1 引言

二氧化碳激光治療機(jī)是利用二氧化碳激光管發(fā)射出波長(zhǎng)為10.6微米的激光束，對(duì)人體病灶組織進(jìn)行切割、燒灼、汽化、凝固和照射治療。通常都是采用光束與皮膚組織非接觸的方式，比常規(guī)手術(shù)提供了更多便利的條件，包括減少器械損傷，增加周圍組織被保護(hù)等，并且，更易保持無(wú)菌手術(shù)，二氧化碳激光手術(shù)刀具有切割能力強(qiáng)，組織吸收系數(shù)大，組織穿透深度小（約0.23mm），手術(shù)時(shí)不易傷及動(dòng)脈血管等，使得二氧化碳激光治療機(jī)被大量用于激光外科手術(shù)臨床治療。

早期的二氧化碳激光治療機(jī)（以下簡(jiǎn)稱治療機(jī)）的高壓激光電源，其工作原理是用調(diào)壓器調(diào)壓，經(jīng)升壓變壓器升壓、整流、濾波、倍壓電路，輸出26.5KV～17.0KV直流高壓。控制電路用腳踏開關(guān)和繼電器組成的無(wú)源電路，不會(huì)產(chǎn)生因電磁干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)作。這是其優(yōu)點(diǎn)，但不能實(shí)現(xiàn)工作模式的選擇，如連續(xù)工作狀態(tài)，重復(fù)脈沖工作狀態(tài)，以及功率大小設(shè)定的預(yù)置功能，所以被逐步淘汰使用。數(shù)字電路的產(chǎn)生和發(fā)展是電子技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，可使治療機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)智能化，提高治療機(jī)的自動(dòng)化程序和控制精度。優(yōu)化了治療機(jī)控制器件的硬件結(jié)構(gòu)，提高了治療機(jī)的性價(jià)比。但在實(shí)際應(yīng)用中要解決單片機(jī)CPU的I/O口輸出端、輸入端對(duì)電感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生的電磁干擾問(wèn)題。因?yàn)槎趸技す馄魇抢脷怏w放電泵浦激勵(lì)制成的氣體激光器，二氧化碳激光電源輸出起輝電壓：DC26.5KV，工作電壓：DC17KV。因此，激光電源就是一個(gè)很強(qiáng)的干擾源。可以引起單片機(jī)系統(tǒng)的控制性能降低，使單片機(jī)電子設(shè)備的工作功能異常或喪失，無(wú)法正常使用。必須想辦法切斷耦合路徑。

2.干擾源的產(chǎn)生

二氧化碳激光電源是升壓型開關(guān)電源，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)核心其實(shí)就是升壓變壓器，由于變壓器的線包其實(shí)是電感，電感是儲(chǔ)能元件，儲(chǔ)存的是磁場(chǎng)能，其電壓與電流的關(guān)系： ，由電感元件的伏－安特性關(guān)系可以看出，接通和關(guān)斷變壓器線圈時(shí)，因?yàn)殡姼械碾娏鞑荒芡蛔儯油ǖ臅r(shí)候，電流是緩慢上升的，感應(yīng)電壓UL不是很高，當(dāng)線圈斷電時(shí)，電感的電流不能突變，根據(jù) 的關(guān)系式可知，當(dāng)電感L一定時(shí)，電路產(chǎn)生的關(guān)斷狀態(tài)，導(dǎo)致電流突然消失，di/dt很高，感應(yīng)電壓UL也就很高，此時(shí)產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲一方面將沿著電源線通過(guò)傳導(dǎo)耦合至控制電路的I/O端口，另外一方面通過(guò)空間耦合干擾，從而對(duì)系統(tǒng)的控制電路產(chǎn)生影響，干擾單片機(jī)控制電路的正常工作，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致治療機(jī)設(shè)備控制功能的異常，無(wú)法正常使用。

3.如何解決電磁兼容問(wèn)題

電磁兼容技術(shù)的根本任務(wù)是使處于同一電磁環(huán)境中的各種電氣、電子元件或系統(tǒng)能夠互不干擾而正常工作，達(dá)到所謂“兼容”狀態(tài)，已知干擾源是由于感性負(fù)載元件產(chǎn)生，通過(guò)電源線的地線連接到信號(hào)線的地線傳導(dǎo)至控制線的I/O端口。有二種去耦的方法可供選擇，一種是用去耦電容，其主要功能就是旁路接地，以減小開關(guān)噪聲在線路板上的傳導(dǎo)和將噪聲旁路到地；另一種方法是采用光電耦合隔離器，切斷干擾源的傳導(dǎo)，經(jīng)測(cè)試分析，采用光電耦合器，具有很高阻抗的共模干擾隔離效果，能保證治療機(jī)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，其性價(jià)比優(yōu)越，故采用光電耦合器方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁兼容。

4.光電耦合器件簡(jiǎn)介

光電耦合器件（簡(jiǎn)稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過(guò)光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電－光和光－電的轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)電流而發(fā)光（即在電信號(hào)的作用下，將其傳導(dǎo)電流變?yōu)榉莻鲗?dǎo)電荷）。當(dāng)光敏元件受到光照產(chǎn)生電流（即在光輻射作用下，將其非傳導(dǎo)電荷變?yōu)閭鲗?dǎo)電荷）。

光電耦合器之所以在傳導(dǎo)信號(hào)的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使傳導(dǎo)導(dǎo)線上的信號(hào)噪聲比大為提高，主要有以下幾個(gè)方面的原因：

1、光電耦合器的輸入阻抗很小，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)的電阻數(shù)值為每米若干毫歐姆（mΩ/m），而干擾源的阻抗較大，當(dāng)?shù)鼐€與其他導(dǎo)體相距較遠(yuǎn)時(shí)，地線的電感為每米0.8μH。通常特性阻抗一米長(zhǎng)的地線對(duì)f=10MHz的正弦信號(hào)電源所呈現(xiàn)的感抗為：XL=2πfL約等于50Ω，電流流經(jīng)地阻抗造成的干擾稱為地阻抗干擾。感抗是地阻抗干擾的主要原因，因此要減小地阻抗的干擾。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電流會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒(méi)有足夠的能量而不能使發(fā)光二極管發(fā)光，而被抑制掉了。

2、光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒(méi)有直接的電氣連接，只有單向的光輻射連接，也沒(méi)有共地相連；兩者之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此，回路一邊的各種噪聲都很難通過(guò)光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻耦合干擾信號(hào)的產(chǎn)生。

3、光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞電路元件，因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。

5.二氧化碳激光治療機(jī)控制板的隔離輸出

部分。它們之間通過(guò)光傳輸信息，不存在電氣上的連接。光耦輸入端和普通的發(fā)

光二極管驅(qū)動(dòng)完全一樣，一般電流為20mA。.從輸出端可以看到輸出用的電源的電壓大小與地和輸入端完全不同，通過(guò)隔離方式（如圖1所示）電路把電壓從單片機(jī)的5V轉(zhuǎn)換成12V的輸出 ，也就是Port端的電壓是0V和12V兩種狀態(tài)。

圖1 是基本的光電隔離電路，電路分為兩個(gè)部分：光電輸入部分和輸出

治療機(jī)的單片機(jī)控制板有兩路I/O輸出端口，控制激光電源的工作，通過(guò)光電耦合隔離器，提供兩路控制信號(hào)給二氧化碳激光電源。一路由PWM端口提供0～5V的模擬電壓，控制激光器的輸出功率范圍在0～30W內(nèi)。另一路輸出TTL低電平控制激光器的發(fā)射出光。腳踏輸入信號(hào)通過(guò)光電耦合器與單片機(jī)的輸入端相連。

6.結(jié)束語(yǔ)

采用單片機(jī)控制二氧化碳激光治療機(jī)，可實(shí)現(xiàn)工作模式的選擇，有連續(xù)模式、重復(fù)脈沖模式和單脈沖模式，激光輸出功率可預(yù)置設(shè)定等智能化控制。在首次產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，由于沒(méi)有使用光電耦合器，治療機(jī)在測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)電磁干擾會(huì)引起治療機(jī)設(shè)備無(wú)法正常工作。采用了光電隔離技術(shù)后，治療機(jī)設(shè)備具有了電磁兼容能力。為了使治療機(jī)設(shè)備能可靠運(yùn)行，將干擾源部分和單片機(jī)控制部分分隔開。它們之間沒(méi)有電荷的傳導(dǎo)連接，只有單向的光輻射連接，實(shí)現(xiàn)了切斷干擾源的耦合路徑。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證的結(jié)果表明，使用了光電耦合器的單片機(jī)控制板，可為治療機(jī)提供穩(wěn)定、可靠的控制信號(hào)，能保證二氧化碳激光治療機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。

參考文獻(xiàn)：

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[2]江文杰，施建華，謝文科，馬浩統(tǒng)，曾學(xué)文#8226;光電技術(shù)#8226;北京：科學(xué)出版社 2014

作者簡(jiǎn)介：張紹敏：男，1956出生，祖籍：廣東省廣州市，大專學(xué)歷，副高級(jí)工程師，廣州市激光技術(shù)應(yīng)用研究所有限公司任職，長(zhǎng)期從事與激光醫(yī)療設(shè)備相關(guān)課題的研究與開發(fā)。