Mediland無影燈控制電路分析及故障診斷案例

馬繼鵬　孔德友　鄭冉冉　吳海燕

Mediland無影燈控制電路分析及故障診斷案例

馬繼鵬①孔德友①鄭冉冉①吳海燕①

Mediland無影燈；控制電路；故障診斷

Mediland無影燈是專業外科手術用燈光，可以盡量降低手術中影子和色彩失真對手術過程的影響，有亮度可調、主副燈切換及故障報警功能。經多年使用發現該設備故障多集中在控制電路上，對控制電路進行板級分析，可以有效指導設備故障診斷與維修［1］。

1　Mediland無影燈結構

Mediland無影燈結構主要由電源電路、按鍵電路、控制電路和燈頭組成。其中電源電路實現將220 V交流電經變壓器降壓整流后輸出24 Vdc，該電壓輸入到控制電路中；單片機在按鍵電路中，實現對按鍵的邏輯判斷，檢測無影燈狀態并輸出邏輯信號給控制電路；控制電路實現對無影燈的主副燈切換，功率的控制以及采集運行狀態信號如圖1所示。

圖1　無影燈結構圖

2　控制電路板原理分析

2.1控制板外部連接信號

無影燈控制板輸入輸出信號和電源的連接由CON1和CON2實現，CON1中輸入Con_MOS為驅動MOSFET開關的原始信號，Con_RY1，Con_RY2，Con_RY3為控制繼電器開關的原始信號，輸出Check_ State為采集的設備工作狀態的信號，VCC_5.6 V是輸入按鍵電路的電源［2-3］。模擬地和數字地之間加了電容耦合，降低互擾。CON2中M24，S24是主副燈各自線路，C1為主副燈的公共線路，VCC為輸入電源24 Vdc如圖2所示。

圖2　外部接線圖

2.2繼電器控制電路

無影燈具有主副2個燈泡，一個燈泡備用，規格為24 V，150 W。在手術中主燈故障時自動切換到副燈上。RY3、RY1及RY2三個繼電器協同工作控制主副燈的亮滅。C1、C2為4700UF電解電容，起到儲能濾波作用，亮燈時，及時提供電流，避免產生較大的紋波，保證電源的穩定［4-5］。當打開無影燈時，RY3閉合即對2個大電容充電，RY1閉合時，主燈亮起，當主燈故障時，RY1斷開，RY2閉合，副燈亮起。R6、R7及R8為繼電器的限流電阻，實現對電流控制［6］。C1是2個燈的公共回路端，Relay1、Relay2及Relay3接繼電器驅動芯片的輸出端如圖3、圖4所示。

圖3　繼電器控制電路圖

圖4　電源轉換和MOS控制電路圖

2.3電源轉換和MOS控制電路

IRFP150N為N溝道MOSFET，D極接在主燈副燈的回路公共端，S極接地，G極接PWM信號控制導通時間，通過調節信號占空比實現功率的調節，從而實現亮度調整。D3二極管起保護作用，無影燈亮起時，此處方波信號幅度大，直接連接會擊穿單片機管腳，所以接穩壓二極管使得信號幅度等于二極管反向導通電壓5.6 V。RN-3，RN-2電阻起限制反向電流的作用［7］。Check_State是檢測信號端，當燈亮起時，此處會檢測到一定占空比的方波信號，如果檢測不到方波信號，表明燈故障，需要切換副燈，并亮黃燈報警，如果檢測到的是高電平，表明有燈絲燒斷，如果檢測到的是低電平表明MOS一直打開，DS極擊穿或者驅動信號故障，其驅動信號和檢測信號時序邏輯如圖5所示。

圖5　MOS驅動信號MOS_Drive和狀態檢測信號時序圖

R4為功率電阻，與穩壓二極管D1-1N4734串聯，完成24 Vdc到5.6 Vdc轉換，為按鍵板和HD74LS04提供電源，其電流輸出能力為90 mA左右，在R4上約有1.7 W的功耗［8］。IRFP150N的VGS極限電壓為±20 V，直接接24 V會損壞MOSFET，所以通過R5與穩壓二極管D2-1N4742串聯實現24～12 Vdc變換后作為開關電壓。R5上約有0.3 W的功耗（如圖6所示）。

圖6　驅動信號電路圖

2.4驅動信號電路

信號接口P3、P4及P5為單片原始信號輸出端，控制3個繼電器的信號，HD74LS04是6反相器，實現第一級驅動，ULN2803APG為8通道達林頓管放大驅動芯片，實現第二級驅動，輸出端連接到繼電器的輸入端。驅動邏輯、主副燈和檢測信號的關系見表1。

表1　驅動邏輯、主副燈和檢測信號狀態對應表

在此電路板上發現一個設計缺陷，COM端作為內置鉗位二極管負端，在驅動感性器件開關時，可以吸收峰值電壓，此應連接到VCC，當繼電器斷開瞬間，感應出高電壓VCC+2 V以上時，擊穿二極管，構成回路，消耗掉峰值電壓，從而起到防止芯片HD74LS04被擊穿的問題，在實際電路中，繼電器線圈未并聯外接二極管，芯片HD74LS04COM端也未連接COM端至VCC，有易發故障隱患（如圖7所示）。

圖7　單片機檢測工作流程圖

3　故障分析與排除

針對不同的故障現象可分析電路，將問題集中在關鍵器件上快速解決問題。在手術無影燈的使用中遇到故障時，開燈后主燈亮然后滅則切換到副燈，出現燈亮然后又滅的現象，實際燈泡并未燒壞。由故障現象可判斷：3個繼電器未損壞，為檢測無影燈工作狀態的部分電路出現故障［9-10］。重點集中在MOSFET，穩壓管D1和驅動MOSFET的信號線路這三部分，用萬用表檢測D1和MOSFET正常，用示波器檢測未發現有MOSFET驅動信號，造成了MOSFET一直處于導通狀態，檢測信號狀態為低電平狀態，最終造成了上述故障，經檢測發現R1歐姆色環電阻有裂紋，肉眼難以發現導致斷路，更換色環電阻后無影燈恢復正常。

4　小結

通過對控制電路原理進行詳細的分析、介紹電路板接口電路、無影燈主副燈切換邏輯流程、功率控制以及工作狀態檢測，并針對電路原理給出了邏輯控制表和無影燈微處理器的邏輯判斷過程，能夠在設備電路維修中更充分理解電路原理，快速準確的定位和排除故障。

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10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.10.044

1672-8270（2016）10-0147-02

R197.39

B

2016-06-19

①濟寧醫學院附屬醫院醫學裝備處 山東 濟寧 272029

馬繼鵬，男，（1987- ），碩士，工程師。濟寧醫學院附屬醫院醫學裝備處，從事醫療設備的維修以及醫療物聯網和醫學傳感器的研究工作。