Oikeiden komponenttien valitseminen ja käyttö lääkinnällisten laitteiden, käyttäjien ja potilaiden suojaukseen

Laboratorioiden ulkopuolella käytettävien, potilaaseen kytkettyjen diagnostisten ja elintoimintoja ylläpitävien lääkinnällisten laitteiden käyttö lisääntyy jatkuvasti. Tällaisia laitteita ovat esimerkiksi hengityslaitteet, defibrillaattorit eli sydäniskurit, ultraääniskannerit sekä EKG (elektrokardiogrammi). Taustalla vaikuttavat muun muassa väestön ikääntyminen, potilaiden terveydenhuoltoa koskevien odotusten kasvu ja lääkinnällisen elektroniikan kehitys, jonka ansiosta järjestelmät ovat aiempaa helppokäyttöisempiä. Lääkinnälliset laitteet täytyy suojata monenlaisilta sähköteknisiltä ongelmilta, jotka voisivat muuten vahingoittaa laitetta, sairaalan työntekijöitä ja potilaita.

Virtapiirin täydellinen suojaus vaatii kuitenkin paljon enemmän kuin pelkän lämpösulakkeen. Suojausta ei voikaan toteuttaa vain valitsemalla tiettyyn järjestelmään ja käyttötarkoitukseen parhaiten sopivan vaihtoehdon, vaan ensin täytyy ymmärtää, mitkä piirit on suojattava, ja vasta sen jälkeen voidaan valita paras suojaustapa. Suojaukseen tarvitaan yleensä useita passiivisia komponentteja, ja tyypillisessä järjestelmässä erikoissuojauslaiteita voi olla jopa toistakymmentä. Suojauslaitteet ovat vähän niin kuin vakuutus: vaikka vakuutukselle on käyttöä todella harvoin tai kenties ei koskaan, sen hankkimatta jättäminen tulisi vielä paljon kalliimmaksi.

Tässä artikkelissa käsitellään lääkinnällisten laitteiden suojattavia kohteita, kuten potilaaseen kytkettäviä signaali- ja anturiliitäntöjä, virransyöttöä, tiedonsiirtoportteja, prosessoriydintä sekä käyttöliittymiä. Niiden lisäksi käsitellään erilaisia piirityyppejä ja järjestelmän suojauskomponentteja käyttämällä esimerkkinä Littelfuse, Inc ‑yrityksen laitteita ja niiden rooleja sekä käyttötarkoituksia.

Suojauksen merkitys lääketieteellisissä järjestelmissä

”Virtapiirien suojaus” tuo useimpien insinöörien mieleen ensimmäiseksi perinteiset lämpösulakkeet, jotka ovat olleet käytössä jo yli 150 vuoden ajan. Sulakkeen nykymuoto perustuu pitkälti Edward V. Sundtin työhön, joka patentoi vuonna 1927 ensimmäisen pienen, nopean sulakkeen – estämään herkkien testimittarien palamista (lähde 1). Myöhemmin hän perusti yrityksen, joka tunnetaan nykyisin nimellä Littelfuse, Inc.

Virtapiirien suojausvaihtoehdot ovat sittemmin laajentuneet huomattavasti virtapiirien erilaisten vikaantumistapojen tunnistamisen myötä. Niitä voivat olla esimerkiksi:

• sisäiset viat, jotka voivat johtaa muiden komponenttien vikaantumiseen
• käyttäjän tai potilaan vaarantavat sisäiset viat
• toimintaan liittyvät sisäiset ongelmat (jännite/virta/lämpö), jotka voivat kuormittaa muita komponentteja ja lyhentää niiden käyttöikää
• virtapiirin toimintaan aina liittyvät jännite- ja virtatransientit ja ‑piikit, joiden huolellinen hallinta on tärkeää.

Monet näistä ongelmista koskevat verkkovirtakäyttöisten laitteiden lisäksi myös akkukäyttöisiä laitteita.

Monet (mutta eivät kaikki) suojauslaitteet perustuvat ylisuurten jännitetransienttien vaimentamiseen. Transienttien vaimentamismenetelmät jakautuvat kahteen pääryhmään: transientteja varsinaisesti vaimentavat menetelmät, jotka estävät niiden etenemisen herkkään virtapiiriin, sekä menetelmät, jotka ohjaavat transientit pois herkistä kuormista ja rajoittavat täten jäljelle jäävää jännitettä. Laitteiden teknisissä tiedoissa esitetyt lämpötilan ja suorituskyvyn alimitoituskäyrät on syytä tutkia tarkasti, sillä jotkin niistä on määritetty vakiona pysyvän suojauksen sijaan jännitteen, virran ja ajan mukaan vaihteleville transienttisuojauksille.

Huomioon otettavia tekijöitä ovat muun muassa rajoitusjännite, maksimivirta, läpilyöntijännite, käänteisesti vaikuttava maksimijännite tai käänteisesti vaikuttava läpilyöntijännite, huippupulssivirta, dynaaminen vastus ja kapasitanssi. Lisäksi on tärkeää ymmärtää näitä tekijöitä koskevat ehdot ja niille määritetyt tekniset arvot. Myös laitteen koko ja suojattavien kanavien tai linjojen lukumäärä täytyy ottaa huomioon. Virtapiirin parhaan suojauslaitteen valinta perustuu kaikkiin näihin tekijöihin, ja usein parametrit vaikuttavat toisiinsa niin, ettei kaikkia niistä voida optimoida samanaikaisesti. Suositeltavia tai vakioratkaisuja löytyy lähes varmasti, mutta myös arvioinnille ja päätöksenteolle on paikkansa.

Virtapiirien suojausvaihtoehtoja on paljon – valitse viisaasti

Saatavana on monenlaisia suojausvaihtoehtoja. Niiden toiminnoissa ja ominaisuuksissa on eroja, joten kullakin laitteella voidaan toteuttaa suojaus vain tietyiltä vikaluokilta tai virtapiirin väistämättömiltä ominaisuuksilta. Tärkeimmät suojausvaihtoehdot ovat:

• perinteinen lämpösulake
• PPTC-laite (polymeerin positiivinen lämpötilakerroin)
• metallioksidivaristorit (MOV)
• monikerrosvaristorit (MLV)
• transienttijännitteen vaimennusdiodit (TVS-diodit)
• diodiryhmät
• puolijohdereleet
• lämpötilaindikaattorit
• kaasupurkausputket.

Lämpösulakkeen toimintaperiaate on yksinkertainen. Siinä on sähköä johtava, sulava, tarkoin mitoitettu osa, joka on valmistettu huolella valituista metalleista. Jos sähkövirta kasvaa suunnitteluarvoja suuremmaksi, sulava osa kuumenee ja sulaa, jolloin virran kulku katkeaa pysyvästi. Tavallisissa sulakkeissa piirin katkeamiseen kuluva aika on nimellisvirran ylityksen suuruudesta riippuen muutamasta sadasta millisekunnista muutamaan sekuntiin. Koska sulakkeen laukeaminen on lopullinen ja peruuttamaton tapahtuma, sulaketta käytetään monissa järjestelmissä viimeisenä suojauslinjana.

Sulakkeiden virta-arvot vaihtelevat alle yhdestä ampeerista satoihin ampeereihin tai vieläkin suurempiin virtoihin. Ne voidaan suunnitella kestämään päiden välillä satojen tai tuhansien volttien jännitettä piirin katkettua vian vuoksi.

Tyypillinen esimerkki sulakkeesta on Littelfusen 0215.250TXP, 250 milliampeerin (mA), 250 voltin (vaihtovirta) (V_AC) sulake 5 x 20 millimetrin (mm) keraamisessa kotelossa (kuva 1). Kotelo on useimpien sulakkeiden tapaan muodoltaan sylinterimäinen. Sulaketta ei juoteta kiinni virtapiiriin, vaan se asetetaan sulakepidikkeeseen, jolloin se on helppo vaihtaa. Kotelo voi olla myös neliömäinen tai laattamallinen, ja saatavana on myös kiinni juotettavia sulakkeita. Huomaa, että juotosprofiilia täytyy tarkkailla huolellisesti ja varmistaa, ettei sulake-elementti vaurioidu.

Kuva 1: Littelfuse 0215.250TXP on 250 mA, 250 V _AC sulake keraamisessa rungossa, jonka halkaisija on 5 mm ja pituus 20 mm. (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

Vaikka sulakkeet vaikuttavat yksinkertaisilta, olemassa on paljon eri versioita, ominaisuuksia ja muita tekijöitä, jotka on otettava huomioon virtapiiriin sopivaa sulaketta valittaessa (lähteet 2 ja 3). Sulakkeita käytetään yleensä syöttölinjoissa sekä lähtöjohtimissa, joissa on täydellisen oikosulun vaara. Sisäisesti niitä käytetään paikoissa, joissa liian suuri virta aiheuttaa vakavaa haittaa, minkä vuoksi virta täytyy katkaista kokonaan ja ongelman syy määrittää sekä korjata ennen käytön jatkamista.

PPTC-laitteita käytetään pääasiassa kahteen tarkoitukseen: USB-portin, virtalähteen, akun tai moottorin ohjauksen suojaamiseen sekä I/O-porttiin liittyvien riskien ehkäisyyn. PPTC-laitteen vastus kasvaa huomattavasti poikkeavissa tilanteissa, kuten liian suuri virta, kuorma tai lämpötila, ja suojaa siten virtapiirin komponentteja rajoittamalla syöttövirtaa.

Kun PPTC-laite laukeaa ja siirtyy suuren vastuksen tilaan, sen läpi kulkee edelleen hieman virtaa. PPTC-laitteiden toimintatilan säilyminen vaatii pienen joulemäärän lämmittävää ”vuotovirtaa” tai ulkoisen lämmönlähteen, joka voidaan poistaa, kun vika on korjattu ja virransyöttö kytketään takaisin. Laite palaa silloin normaaliin pienen vastuksen tilaansa ja virtapiirin normaali toiminta palautuu. Vaikka PPTC-laitteita sanotaan toisinaan ”nollattaviksi sulakkeiksi”, ne eivät itse asiassa ole sulakkeita lainkaan, vaan epälineaarisia, virtaa rajoittavia termistoreja. Koska kaikki PPTC-laitteet siirtyvät vikatilanteessa suuren vastuksen tilaan, normaali toiminta voi niistä huolimatta aiheuttaa joihinkin virtapiiriin osiin vaarallisen jännitteen.

Hyvä esimerkki PPTC-laitteesta on Littelfuse 2016L100/33DR, pinta-asennettava, 33 voltin, 1,1 ampeerin PPTC-laite, joka on tarkoitettu pienen jännitteen (≤ 60 volttia) käyttökohteisiin, kun suojaus täytyy pystyä nollaamaan (kuva 2). Laite vie tilaa 4 x 5 mm ja laukeaa alle 0,5 sekunnissa (s), kun virta on 8 A.

Kuva 2: 2016L100/33DR on 33 voltin, 1,1 ampeerin PPTC-laite, jota voidaan käyttää pienen jännitteen käyttökohteissa, kun suojaus täytyy pystyä nollaamaan. Se reagoi 8 A:n ylivirtaan alle 0,5 sekunnissa. (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

Tyypillisessä hengityskoneessa 2016L100/33DR-laitetta voitaisiin käyttää akunhallintajärjestelmän MOSFET-transistorin suojaamiseen ulkoisten oikosulkujen aiheuttamilta liian suurilta virroilta tai USB-piirisarjojen ylivirtasuojaukseen (kuva 3).

Kuva 3: Tässä hengityskoneen lohkokaaviossa PPTC-laitteita voitaisiin käyttää akunhallintajärjestelmässä ja USB-porttiosioissa (alueet 2 ja 5). (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

MOV-varistorit ovat jänniteriippuvaisia, epälineaarisia laitteita, joiden sähköinen toiminta muistuttaa peräkkäin asennettuja zenerdiodeja. Koska niiden katkaisuominaisuudet ovat symmetriset ja terävät, ne vaimentavat transientteja erittäin hyvin.

Suurjännitetransientin tapahtuessa varistorin impedanssi alenee monta suuruusluokkaa pienemmäksi, lähes avoimesta piiristä erittäin sähköä johtavalle tasolle, jolloin transienttijännite lukittuu turvalliselle tasolle parissa millisekunnissa (kuva 4).

Kuva 4: MOV-varistorin jännite-virtakäyrässä on esitetty varistorin normaali suuren vastuksen alue ja sen erittäin pienen vastuksen alue, jolla laite toimii, kun jännite nousee tiettyä kynnysarvoa suuremmaksi. (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

Lukituksen seurauksena varistori absorboi transienttipulssin energian, joka voisi muutoin osoittautua vahingolliseksi (kuva 5).

Kuva 5: MOV-varistorin impedanssin äkillinen muutos suuresta pieneen, joka lukitsee transienttijännitteen hyväksyttävälle tasolle. (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

Saatavana on monenlaisia MOV-varistoreita, kuten 390 voltin, 1,75 kiloampeerin (kA) V07E250PL2T – halkaisijaltaan vain 7 mm:n kokoinen pieni levy läpiasennukseen tarkoitetuilla jaloilla (kuva 6). MOV-varistoreja käytetään usein virransyöttölinjan suojaamiseen jännitetransienteilta (kuvan 3 alue 1). Kannattaa huomata, että MOV-varistoreja rinnakkain kytkemällä huippuvirran ja ‑energian käsittelyä voidaan parantaa entisestään, kun taas niitä sarjaan kytkemällä voidaan toteuttaa normaalisti saatavana olevia jännitearvoja suurempia arvoja tai vakiotuotteiden jännitearvojen väliin jääviä arvoja.

Kuva 6: V07E250PL2T MOV on halkaisijaltaan 7 mm:n kokoinen levy läpiasennukseen tarkoitetuilla jaloilla. Se on tarkoitettu enintään 390 voltille, ja se pystyy käsittelemään jopa 1 750 A:n transientteja. (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

MLV-varistorit muistuttavat MOV-varistoreja. Ne tarjoavat samat perustoiminnot, mutta niiden sisäinen rakenne ja sitä kautta myös ominaisuudet ovat hieman erilaiset. MLV-varistorit valmistetaan tulostamalla märkänä kerroksittain sinkkioksidia (ZnO) ja metalliset sisäelektrodit, minkä jälkeen komponentti sintrataan, päätetään, lasitetaan ja lopuksi päällystetään. MLV-osat ovat yleensä pienempiä kuin vastaavan jännitearvon MOV-varistorit ja tarjoavat suuremman lukitusjännitteen suurella virralla. Kookkaammat osat taas pystyvät käsittelemään suurempia energiamääriä.

Esimerkiksi V12MLA0805LNH on MLV, jota on testattu huippuvirta-arvollaan (3 A, 8/20 mikrosekuntia (µs)) useilla toistuvilla pulsseilla. Testin päättyessä eli 10 000 pulssia myöhemmin laitteen jänniteominaisuudet olivat edelleen hienosti nimellistasoillaan (kuva 7). Tätä laitetta kannattaa harkita hengityslaitteen virransyötön ja USB-portin suojaukseen transienteilta (alueet 1 ja 5 kuvassa 3).

Kuva 7: Littelfuse V12MLA0805LNH ‑laitteen kaltaiset monikerrosvaristorit sietävät toistuvia transienttipulsseja suorituskyvyn heikentymättä (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

Myös TVS-diodit suojaavat herkkää elektroniikkaa suurilta jännitetransienteilta ja reagoivat ylijännitteisiin nopeammin kuin useimmat muut virtapiirin suojauslaitteet. Ne lukitsevat ja rajoittavat jännitteen tietylle tasolle p-n-liitännällä, jonka poikkipinta-ala on suurempi kuin tavallisessa diodissa. TVS-diodi pystyy sen vuoksi johtamaan suuria virtoja maahan vaurioitumatta itse.

TVS-diodeja käytetään yleensä esimerkiksi suojautumiseen salamoiden, induktiivisen kuorman kytkemisen ja sähköstaattisen purkausten siirto- tai datalinjoihin sekä virtapiireihin aiheuttamilta sähköisiltä ylikuormitustiloilta. Niiden vasteaika on nanosekuntien luokkaa, mistä on hyötyä lääkinnällisten laitteiden, tietoliikenne- ja teollisuuslaitteiden, tietokoneiden sekä kuluttajaelektroniikan suhteellisen herkkien I/O-rajapintojen suojauksessa. Niissä on määrätty transienttijännitteen ja diodin ylitse vaikuttavan jännitteen ja sen läpi kulkevan virran välinen lukitussuhde. Nämä tiedot löytyvät kunkin TVS-mallin teknisistä tiedoista (kuva 8).

Kuva 8: Yleinen kaavio TVS-diodin jännitetransienttien, TVS-diodin ylitse vaikuttavan jännitteen sekä virran välisestä suhteesta. Tarkat arvot vaihtelevat valittavan TVS-diodimallin mukaan. (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

SMCJ33A on yksisuuntainen TVS-diodi 5,6 x 6,6 mm:n pintaliitoskotelossa. Sen rajoitusjännite on 53 volttia ja huippuvirta 28 ampeeria. Saatavana on myös kaksisuuntainen versio (jälkiliite B), jota voidaan käyttää, kun odotettavissa on, että transientteja tapahtuu sekä positiiviseen että negatiiviseen suuntaan. Tyypillinen käyttökohde on esimerkiksi kannettava ultraäänilaite, jossa pietsosähköisiä kiteitä ohjataan suuria jännitepulsseja tuottavalla generaattorilla. TVS-diodien avulla voidaan suojata USB-portteja sekä LCD/LED-näyttöä (kuvan 9 alueet 2 ja 3).

Kuva 9: Tässä kannettavan ultraäänilaitteen lohkokaaviossa voidaan käyttää TVS-diodia (esimerkiksi SMCJ33A, jonka rajoitusjännite on 53 volttia) USB-porttien ja LCD/LED-näytön suojaamiseen transienteilta (alueet 2 ja 3). (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

Diodiryhmät käyttävät suuren TVS-diodin (kuten zenerdiodin) ympärille sijoitettuja ohjausdiodeja I/O-linjojen kapasitanssin alentamiseen. Näiden laitteiden myötäestotilan kapasitanssi on 0,3–5 pikofaradia (pF), ja niitä voidaan käyttää +/18 kilovoltin (kV) – +/-30 kilovoltin (kV) ESD-tasoilla. Suojattavia kohteita ovat esimeriksi USB 2.0-, USB 3.0-, HDMI-, eSATA- ja näyttöporttirajapinnat. Samankaltaisesti nimettyjen TVS-diodiryhmien perustoiminnot ovat samat kuin diodiryhmien, mutta niiden kapasitanssi on suurempi, joten ne soveltuvat paremmin hitaammille rajapinnoille.

Tällainen diodiryhmä on esimerkiksi SP3019-04HTG (kuva 10). Siinä epäsymmetriseen ESD-suojaukseen tarkoitetut neljä erittäin pienen kapasitanssin (0,3 pF) kanavaa on pakattu kuusijalkaiseen SOT23-pakettiin. Sen tyypillinen vuotovirta on lisäksi erittäin pieni, vain 10 nanoampeeria (nA) 5 voltin jännitteellä. TVS-diodien tapaan tyypillisiä käyttökohteita ovat esimerkiksi USB-porttien sekä LCD/LED-näytön suojaus (kuvan 9 alueet 2 ja 3).

Kuva 10: SP3019-04HTG:n kaltainen diodiryhmä suojaa useita nopeita I/O-linjoja sähköstaattisilta purkauksilta. (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

Puolijohdereleet (joita sanotaan myös optoerottimiksi) antavat yhden jännitteen kytkeä ja ohjata kyseisestä jännitteestä riippumatonta ja siihen liittymätöntä jännitettä tulon ja lähdön välisellä lähes täydellisellä galvaanisella erotuksella. Niillä on paljon laajoja käyttötarkoituksia, esimerkiksi toiminnallinen käyttö: niiden avulla voidaan eliminoida erillisten osapiirien väliset maadoitussilmukat tai antaa puoli- tai H-sillan MOSFET-konfiguraation korkean puolen ohjaimien ”kellua” irti maadoituksesta. Toinen käyttötarkoitus liittyy suojaukseen, millä on merkitystä etenkin lääkinnällisissä laitteissa, joissa niiden eristys estää virran kulun täysin. Eristämistä tarvitaan, kun laitteissa käytetään suuria sisäisiä jännitteitä ja niissä on käyttäjän tai potilaan kanssa kosketuksessa olevia johtimia, nuppeja, antureita ja koteloita.

CPC1017NTR on hyvä esimerkki yksinapaisesta, normaalisti auki olevasta puolijohdereleestä (1-Form-A). Se on pakattu pikkuiseen 4 mm²:n nelijalkaiseen koteloon ja tarjoaa tulon ja lähdön välille 1 500 voltin RMS (V_RMS) eristyksen. Se on erittäin tehokas ja tarvitsee toimintaansa vain 1 mA:n ledivirran. Se pystyy kytkemään 100 mA / 60 V ja tarjoaa mahdollisuuden valokaarettomaan kytkentään ilman ulkoisia kytkentäsuojapiirejä. Se ei myöskään aiheuta EMI- eikä RFI-häiriöitä ja se sietää ulkoisia säteileviä sähkömagneettisia kenttiä, mitä joissakin lääkinnällisissä laitteissa ja järjestelmissä vaaditaankin. Defibrillaattorin kaltaisessa käyttökohteessa suunnittelijat voivat käyttää sitä pienjännitepiirien erottamiseen laitteen elektrodeja ohjaavan sillan suurista jännitteistä (kuva 11).

Kuva 11: Defibrillaattorissa pienjännite-elektroniikka voi puolijohdereleen avulla ohjata suurjännitteisiä elektrodeja ja pitää H-siltakytkennän ”kelluvat” yläpuolen ohjaimet erotettuna järjestelmän maadoituksesta (alue 5). (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

Lämpötilaindikaattorit ovat termistorien kaltaisten lämpötila-anturien erikoistapaus. Tarve valvoa mahdollisesti kuumenevien alueiden, kuten virtalähteiden tai korkeajännitelähteiden, ylikuumenemista voisi tuntua ilmiselvältä, mutta jopa tyypin C USB-portin kautta voi kulkea merkittävä virtamäärä ja portti voi ylikuumentua. Syynä voi olla sisäinen vika tai jopa väärän kuorman tai oikosulussa olevan kaapelin liittäminen.

Potentiaalisia ongelmia voidaan välttää positiivisen lämpötilakertoimen (PTC) laitteilla, kuten SETP0805-100-SE. Lämpötilaindikaattori auttaa suojaamaan tyypin C USB-portteja ylikuumenemiselta. Se on suunniteltu kyseisen USB-standardin teknisten ominaisuuksien mukaan ja pystyy tarjoamaan suojaa jopa kaikkein suurimmille tyypin C USB-portin kautta kulkeville virroille. Se on saatavana 0805-pakkauksessa (2,0 x 1,2 mm) suojaamaan vähintään 100 wattia kuluttavia järjestelmiä. Laite tarjoaa herkän ja luotettavan lämpötilatiedon, kun sen vastus kasvaa 12 ohmin (Ω) nimellisarvosta (25 ⁰C) 35 kilo-ohmiin (kΩ) (100 ⁰C) (tyypilliset arvot).

Kaasupurkausputket tuovat ehkä mieleen suuret kipinöivät putket, mutta ne ovat itse asiassa aivan toisenlaisia. Putket sijoitetaan suojattavaan linjaan tai johtimeen (yleensä vaihtovirtalinjan tai muun ”paljaan” johtimen ja järjestelmän maan väliin), jolloin ne ohjaavat suuret ylijännitteet maahan lähes ihanteellisesti.

Laitteen sisällä oleva kaasu toimii normaaliolosuhteissa eristeen tapaan, jolloin kaasupurkausputki ei johda virtaa. Ylijännitetilanteessa (ylilyöntijännite) putkessa oleva kaasu hajoaa ja johtaa virtaa. Kun ylijännite ylittää määritetyn ylilyöntijännitteen, kaasupurkausputki kytkeytyy päälle ja purkautuu ohjaten vahingollisen energian pois. Saatavana on kaksinapaisia kaasupurkausputkia maadoittamattomiin linjoihin ja kolminapaisia laitteita maadoitettuihin linjoihin. SMT-pakkauksissa toimitettavat laitteet helpottavat suunnittelua ja piirilevyn kokoonpanoa (kuva 12).

Kuva 12: Kaasupurkausputkia on saatavana kaksinapaisina versioina (vasemmalla) maadoittamattomiin virtapiireihin ja kolminapaisina versiona (oikealla) maadoitettuihin virtapiireihin (kaasupurkausputken symboli on piirikaavioiden oikeassa reunassa näkyvä Z-kirjainta muistuttava merkki). (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

Kaasupurkausputkia on saatavana 75 voltin ylilyöntijännitteestä alkaen, ja ne pystyvät käsittelemään satoja tai jopa tuhansia ampeereita. Esimerkiksi GTCS23-750M-R01-2 on kaksinapainen kaasupurkausputki, jonka ylilyöntijännite on 75 V ja nimellisvirta 1 kA. Se on pakattu 4,5 mm:n pituiseen, halkaisijaltaan 3 mm:n suuruiseen SMT-koteloon, joten sen voi sijoittaa suojauslaitteeksi melkeinpä mihin tahansa kohteeseen (kuva 13).

Kuva 13: Kaasupurkausputkien ei tarvitse näyttää elokuvista tutuilta jättimäisiltä kipinöiviltä putkilta. GTCS23-750M-R01-2 on 75 V:n, 1 kA:n kaasupurkausputki, joka on pakattu vain 4,5 mm pitkään SMT-koteloon, jonka halkaisija on 3 mm. (Kuvan lähde: Littelfuse, Inc.)

Suunnittelua ohjaavat standardit

Lääkinnällisten laitteiden täytyy täyttää monien turvallisuusstandardien vaatimukset. Osa näistä standardeista koskee kaikkia kuluttaja- ja kaupallisia tuotteita ja osa pelkästään lääkinnällisiä laitteita. Monet standardit ovat voimassa koko maailmassa. Näitä standardeja ja määräyksiä ovat esimerkiksi:

• IEC 60601-1-2, Medical electrical equipment - Part 1-2: General requirements for basic safety and essential performance - Collateral Standard: Electromagnetic disturbances - Requirements and tests.
• IEC 60601-1-11, Medical Electrical Equipment Part 1-11: General requirements for basic safety and essential performance — Collateral standard: Requirements for medical electrical equipment and medical electrical systems used in the home healthcare environment.
• IEC 62311-2, Assessment of electronic and electrical equipment related to human exposure restrictions for electromagnetic fields (0 Hz to 300 GHz).
• IEC 62133-2, Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes - Safety requirements for portable sealed secondary lithium cells, and for batteries made from them, for use in portable applications – Part 2: Lithium systems.

Turvallisuusvaatimusten täyttämisessä pääsee pitkälle jo valitsemalla virtapiirin suojaukseen käytettävän laitteen huolellisesti ja suunnittelemalla sen käytön harkiten. Yleisesti käytössä olevien ja hyväksyttyjen tekniikoiden ja komponenttien käyttö voi myös nopeuttaa hyväksymisprosessia.

Yhteenveto

Virtapiirien suojauslaitteiden käyttöä – missä, miksi, mitä ja miten – koskevista vaatimuksista seuraa suunnittelulle monimutkaisia haasteita yleisestikin ja etenkin lääkinnällisissä laitteissa. Saatavana on paljon sopivia suojauskomponentteja, joista osa soveltuu virtapiirissä tiettyyn toimintoon ja osaa voi käyttää yleisemmin. Kunkin komponentin ominaisuudet määrittävät, mikä vaihtoehto sopii parhaiten tai ainakin muita paremmin kuhunkin suojattavaan virtapiiriin ja sijaintiin järjestelmässä. Yksikään laite ei täytä kaikkia järjestelmien erilaisia vaatimuksia, joten suunnittelijat joutuvat käyttämään suojaukseen useita erilaisia menetelmiä.

Käytettävien laitteiden valinta ja käyttötapa vaativat yleensä monimutkaista päätöksentekoa ja säätelyviranomaisen hyväksyntää. Suunnittelijoiden kannattaisi harkita avun pyytämistä suojauslaitteen toimittajan tai jälleenmyyjän sovellusinsinööreiltä, jotka tuntevat laitteet hyvin. Heidän kokemuksensa ja asiantuntemuksensa voi nopeuttaa tuotteen saamista myyntiin, varmistaa monipuolisemman suunnittelun ja helpottaa säätelyviranomaisten hyväksynnän saamista.